各國的引力波探測計劃
- 發佈時間:2016-02-17 07:29:00 來源:中國青年報 責任編輯:羅伯特
今天,中國科學院召開媒體見面會,首次對外披露了我國引力波空間探測計劃——“太極計劃”。中國科學院院士、“太極計劃”首席科學家胡文瑞透露,“太極計劃”的設想之一是在2030年前後發射3顆衛星組成的引力波探測星組,用鐳射干涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測,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。
5天前,LIGO科學合作組宣佈探測到來自GW150914雙黑洞合併事件的引力波,拼上了愛因斯坦廣義相對論最後一塊缺失的“拼圖”。
宇宙中的引力波,其實是來自天體的能量和品質變化,不同頻率的引力波對應于不同的天體物理過程。關於引力波的探測,人類最早的探索開始於地面。
上世紀60年代,人們開始在地面用共振天線探測,但由於靈敏度不夠而未獲得肯定的結果。
上世紀90年代以後,人們開始用鐳射干涉方法在地面測量引力波,這一技術水準比共振天線法的探測靈敏度提高了4個數量級,使得LIGO實驗組最終能夠直接觀測到引力波的信號。
除了LIGO,國際上還有一些其他的地面探測計劃,比如,義大利法國合作的VIRGO計劃,德國和英國合作的GEO計劃,日本的TAMA300計劃。
2014年5月,我國也提出了地面探測計劃。中科院高能物理所研究員張新民帶領團隊提出在西藏阿裏開展CMB實驗研究。他説,原初引力波太微弱,所以要選干擾盡可能少的區域,大氣越稀薄、水汽含量越少,才越有希望看清原初引力波留下的痕跡。
胡文瑞告訴記者,基於地面的引力波探測實驗裝置,由於受空間距離的限制和地球重力梯度噪聲的影響,無法探測低於10赫茲的引力波,使其研究目標變得較為有限。
於是,各國科學家也將目光轉向“天上”,開始了空間引力波探測的研究。
1993年,歐洲空間局(ESA)首先提出鐳射干涉空間天線(LISA)計劃,並於2000年完成了系統和工程研究報告——主要由3顆相距100萬公里的航太器組成,構成一個等邊三角形,採用鐳射干涉法精確測距,探測108Ms引力輻射。航太器的軌道為行星軌道,與地球一起繞著太陽運動。
2015年年底,該組織已發射了LISA的關鍵技術驗證衛星LISA-Pathfinder。
胡文瑞説,因為1997年美國航太局(NASA)的加入,LISA計劃成了歐美聯合計劃。但到了2011年,NASA退出,LISA計劃再次成為歐空局獨立的計劃。時隔一年,歐空局開始與中方科學家商討合作事宜。
2008年由中國科學院發起,中科院多個研究所及院外高校科研單位共同參與,成立了中國科學院空間引力波探測論證組,開始規劃中國空間引力波探測在未來數十年內的發展路線圖。空間引力波探測已被列入中國科學院制定的空間2050年規劃。
在引力波的探測中,中低頻波段(10-4~1.0赫茲)引力波,一直是各國探測的焦點。中頻波段方面,其引力波源主要是中等品質的緻密雙星(黑洞、中子星、白矮星),以及宇宙大爆炸早期(10~34秒以後)産生的引力波——更直白地説,這一波段的探測最有可能發現宇宙起源奧秘。
在這一波段的探索中,美國的“後愛因斯坦”計劃獨樹一幟。該計劃有一顆“大爆炸觀測者”BBO(Big Bang Observer)衛星,BBO衛星是根據探測106Ms天體的引力擾動産生的引力波或早期宇宙背景,著重探測地面裝置和LISA計劃之間的“中頻引力波”。
BBO的設計概念是類似于LISA任務的三角形鐳射干涉結構。其技術難度將更高,技術可行性遇到更大的挑戰。
日本也提出了在相似頻段觀測引力波的DECIGO計劃。該計劃由3顆無阻力衛星構成,各相距1000公里,計劃在2024年發射。
本報北京2月16日電
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