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中科院空間引力波探測:亦步亦趨?獨樹一幟!

  • 發佈時間:2016-02-17 01:30:30  來源:科技日報  作者:佚名  責任編輯:羅伯特

  “如果把引力波探測看作交響曲的話,LIGO(鐳射干涉引力波天文臺)的成果,是一段美妙的序曲。它證明了引力波的存在,引力波天文學隨之誕生。但是,彈奏引力波主樂章的地點,還應該在空間。”16日,在空間引力波探測太極計劃媒體見面會上,中科院院士、中科院力學研究所研究員胡文瑞勾勒出了中國空間引力波探測的路線圖。

  2月11日,LIGO科學合作組織向世界宣佈人類首次直接探測到了引力波,而中國空間太極計劃在此時揭開面紗,並非“亦步亦趨”。它有著更大的雄心:去聆聽那些頻率更低的引力波,探索更為豐富的科學內容。

  上天去,才能聽到更低沉的宇宙呢喃

  這不是“趕時髦”。

  實際上,2008年,中科院就發起了空間引力波探測計劃,在中科院多個研究所和院外高校科研單位的共同參與下,成立了中國科學院空間引力波探測論證組。目前,已形成了一支以中國科學院科研人員為主,胡文瑞、吳岳良院士為首席科學家的空間太極(Taiji)計劃工作組。

  和大家已經熟知的地面測量不同,太極計劃是要將引力波探測星組發射升空,用鐳射干涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測。

  中低頻引力波的波長在1×10-4至1.0赫茲之間。不同波段的引力波,對應著不同的引力波源,是打開宇宙不同領域知識的鑰匙。

  中科院院士、中國科學院大學副校長吳岳良介紹,類似LIGO這樣的地面鐳射干涉天文臺探測的是高頻引力波,頻率在10赫茲以上,主要來自緻密雙星;而中頻引力波則來自中等品質緻密雙星,宇宙大爆炸最早期産生的原初引力波也屬此類;至於低頻引力波,則來自於雙星系、超大品質雙黑洞和大品質比雙黑洞的併合,以及大品質天體的爆炸等。

  這些不同的頻率,構成了更為完整的引力波樂章。而如果只在地面聆聽,受空間距離的限制和地球重力梯度噪聲的影響,頻率低於10赫茲的引力波將無法被探測到。“因此,多國科學家在加緊開展空間引力波探測的研究計劃。”吳岳良説。

  空間引力波探測,國際合作與競賽已經展開

  從上世紀90年代起,在地面上,人類已經開始建設聆聽高頻引力波的“耳朵”。而在地面之外,規劃和部署也已經開始。

  1993年,歐洲空間局(ESA)首先提出鐳射干涉空間天線(LISA)計劃,在10-4至10-2赫茲波段進行空間引力波測量。其計劃于2030年左右,發射三顆各相距500萬千米的探測器,後來又修改了方案,三個探測器的距離縮小到100萬千米,更名為eLISA。2015年底,歐空局已經發射了其關鍵技術驗證衛星LISA-Pathfinder,踏出人類太空探測引力波的第一步。

  最近,美國提出了後“愛因斯坦計劃”,它包括兩顆星,其中一顆是“大爆炸觀測者”,著重于探測地面和LISA所探測波段之間的中頻(1×10-2至100赫茲)引力波。日本也提出了在相似頻段觀測引力波的DECIGO計劃。

  中國同樣也在備戰這一全新的宇宙天文學領域。

  胡文瑞介紹,按太極計劃,我國將在2035年前後發射三顆衛星組成的引力波探測星組,進行中低頻波段引力波的直接探測。太極計劃的技術指標在總體上將優於歐空局LISA計劃的要求,頻率範圍將覆蓋LISA的低頻和日本DECIGO的中頻。“該計劃的主要科學目標是觀測雙黑洞併合和極大品質比天體併合時産生的引力波輻射,以及其他的宇宙引力波輻射過程。”

  這是一個中歐合作的國際合作計劃。科學家為它規劃出了兩條發展路徑:其一,是我國參加歐洲空間局的eLISA雙邊合作計劃;其二,是我國發射一組引力波探測衛星組,與2035年左右發射的eLISA衛星組同時遨遊太空,兩者同時在空間中獨立進行探測,互相補充和檢驗測量結果。胡文瑞透露,與歐空局的合作計劃,今年年底前就將呈報給國家有關部門。

  基礎研究將帶動多項技術發展

  LIGO已經探測到了引力波,我們還在進行著遙遠的規劃,還有意義嗎?

  雖然“第一”的名號已經旁落,但基礎研究的意義,遠不止于追尋“第一”。

  空間引力波探測和研究需要許多先進技術:在空間鐳射干涉儀方面需要穩頻和鎖相的大功率鐳射器和鐳射干涉系統;需要用無拖曵技術控制的高精度光學平臺;需要測量超低重力水準的慣性感測器;需要控制各種噪聲以分辨出引力波引起的微小距離(10-12米)的變化;以及需要與實驗設備一體化的衛星研製……這些正是引力波國際探測計劃要研究解決的關鍵技術。我國目前的技術能力與國際先進水準還有一定的差距,這種差距可以通過良好的國際合作得到一定的彌補。

  “引力理論的空間檢驗,可以使實驗頻率比地面降低幾個數量級、提高觀測精度,孕育著自然科學的重大突破。”胡文瑞強調,“中國科技界應該在引力理論的空間檢驗方面逐步做出重要貢獻。”

  (科技日報北京2月16日電)

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