中国瞄准引力波打“太极”弹“天琴”

2016-02-17 14:15:00

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16日，中科院举行“空间太极计划”媒体见面会，胡文瑞院士（右二）在介绍该计划。

随着人类在2016年初宣布首次直接探测到引力波，取得科学上的重大突破，中国科学家一系列与引力波探测相关的计划也浮出水面，备受关注。2月16日，中国科学家公布了一项新的空间探测引力波计划——“太极”。

此外，在海拔5000多米的西藏阿里，科学家们计划开展宇宙微波背景辐射（CMB）研究，以寻找原初引力波；在中国西南贵州的一个巨型天坑中，科学家们正在建造世界最大单口径射电望远镜，以利用脉冲星探测引力波；中山大学提出一项空间探测引力波计划，并起了一个诗意的名字“天琴计划”。

1 太极计划

中欧合作发射卫星组探测引力波

中国科学院院士、太极计划首席科学家胡文瑞透露，太极计划的设想之一是在2030年前后发射三颗卫星组成的引力波探测星组，用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测，目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其他的宇宙引力波辐射过程。

据悉，太极计划是一个中欧合作的国际合作计划，目前有两个方案。方案一是参加欧洲空间局的eLISA双边合作计划。方案二是发射三颗中国的引力波探测卫星组，与2035年左右发射的eLISA卫星组同时邀游太空，独立进行引力波探测，两组卫星互相补充和检验测量结果。

2 阿里观测项目

中美合作研制望远镜寻找原初引力波

宇宙暴胀理论认为，在大爆炸发生后的极短一瞬间，宇宙经历了一场快速膨胀，时空产生了剧烈扰动。该过程中产生的“原初引力波”就会在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下可探测的印迹。寻找原初引力波，就是要在这一微波背景辐射找到引力波的独特印记。

2014年5月，中科院高能物理所研究员张新民带领团队提出在海拔5000多米的西藏阿里开展CMB实验研究。据他介绍，原初引力波太微弱，所以要选干扰尽可能少的区域，阿里有望成为北半球天区第一个地面观测点。

中科院高能所副研究员李虹说，阿里望远镜与位于南极的BICEP望远镜原理类似，但精度更高，中美将合作研制。如果现在开始积极研发，预计3至5年内能建成并投入使用。

3 FAST项目

巨大天坑中建造地球上的最大“耳朵”

中国西南贵州，在形成于4500万年前的巨型天坑中，科学家与工程师们正在建造面积相当于30个足球场的世界最大单口径射电望远镜。它像一只庞大而灵敏的“耳朵”，将捕捉来自遥远星尘最细微的“声音”。

“大耳朵”正式的名字是：500米口径球面射电望远镜，英文名缩写为FAST。这项中国有史以来最大天文工程，总投资将超过11亿元，2011年3月动工，预计2016年9月竣工。

中科院国家天文台射电部首席科学家李菂说，FAST的一个重要目标是利用脉冲星探测引力波。引力波会使脉冲到达时间发生变化。如果能观测到全天的脉冲星或者某一方向上的多个脉冲星周期发生变化，就能探测到引力波。

4 天琴计划

拨动天空的“琴弦”需要四个阶段

此前，中山大学提出一项空间探测引力波计划，并起了一个诗意的名字“天琴计划”。

该计划提出者，中山大学校长、中科院院士罗俊介绍说，天琴计划为四个阶段：一是完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等地面辅助设施，完成中国自己的月地测距，同时检验牛顿万有引力常数的变化；二是发射一颗卫星，完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证，以及空间等效原理实验检验；三是发射两颗卫星，完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证，以及全球重力场测量；四是完成所有空间引力波探测所需的关键技术，发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。

探测引力波，如同聆听一曲宇宙的交响乐

“如果说400年前当伽利略第一次将亲手制作的望远镜指向夜空的时候，人类开始用眼睛欣赏宇宙的瑰美，那么今天，我们学会了聆听宇宙的第一个音符。”美国麻省理工学院物理系研究员、哈佛史密森天体物理研究中心研究者苏萌说。他介绍说，引力波的频率很宽，就好像交响乐中分低音、中音、中高音和高音。针对不同频率，科学家采取了不同的探测手段，科学目标也不尽相同。

【低音】

原初引力波

【引力波频率】最低

【解码】其波长跟整个宇宙的尺度差不多大，只能通过对宇宙大爆炸后遗留的光子场信号，即宇宙微波背景辐射，来寻找它。

2014年美国哈佛史密森天体物理中心称在南极观测到原初引力波，随后发现搞错了。

要从杂乱无章的各种引力波中辨认出带有宇宙大爆炸初期引力波留下的独特标记，的确太困难，需要不断发展灵敏度更高的实验来找寻。

【探测计划】南极BICEP2、西藏阿里观测项目。

【中音】

超大质量黑洞并合时发出的引力波

【引力波频率】在百万分之一到亿分之一赫兹

【解码】这种事件往往发生在星系与星系相撞的后期，星系中心数百万到数亿太阳质量的巨大黑洞在最后阶段的撞击并合发出浩瀚的引力波信号，可人类能建造的探测器太小。科学家想出一个方法：利用校准后的毫秒脉冲星。若干精确校准的毫秒脉冲星在宇宙中排成校准源的庞大阵列，天文学家利用大型地面射电望远镜作为探测器监视着宇宙中可能经过的时空涟漪。

【探测计划】FAST、SKA等。

【中高音】

质量更小一些相互距离更近一些的大质量黑洞（几万到几百万太阳质量）并合过程的后期、中子星碰撞、超新星爆炸、银河系内的白矮双星系统等。

【引力波频率】十万分之一到一赫兹

【解码】这类引力波信号探测的手段也是蛮拼的：发射数颗卫星，在太空形成阵列。著名的LISA（光学干涉空间阵列）作为欧洲空间局批准的大型空间实验卫星项目，将为实现这个目标再努力约20年，计划2035年左右开始收集数据，其首颗技术验证星去年年底被送上太空。

【探测计划】LISA、太极、天琴等。

【高音】

中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统

【引力波频率】几十到几千赫兹

【解码】这就是人类第一次直接探测到的引力波信号，探测手段是地面数公里的激光干涉装置。

【探测计划】LIGO、VIRGO、GEO 600、KaGRA、LIGO-India等。