中科院空间引力波探测:亦步亦趋?独树一帜!

记者 张盖伦

2016年02月17日07:10  来源:科技日报
 

“如果把引力波探测看作交响曲的话,LIGO(激光干涉引力波天文台)的成果,是一段美妙的序曲。它证明了引力波的存在,引力波天文学随之诞生。但是,弹奏引力波主乐章的地点,还应该在空间。”16日,在空间引力波探测太极计划媒体见面会上,中科院院士、中科院力学研究所研究员胡文瑞勾勒出了中国空间引力波探测的路线图。

2月11日,LIGO科学合作组织向世界宣布人类首次直接探测到了引力波,而中国空间太极计划在此时揭开面纱,并非“亦步亦趋”。它有着更大的雄心:去聆听那些频率更低的引力波,探索更为丰富的科学内容。

上天去,才能听到更低沉的宇宙呢喃

这不是“赶时髦”。

实际上,2008年,中科院就发起了空间引力波探测计划,在中科院多个研究所和院外高校科研单位的共同参与下,成立了中国科学院空间引力波探测论证组。目前,已形成了一支以中国科学院科研人员为主,胡文瑞、吴岳良院士为首席科学家的空间太极(Taiji)计划工作组。

和大家已经熟知的地面测量不同,太极计划是要将引力波探测星组发射升空,用激光干涉方法进中低频波段引力波的直接探测。

中低频引力波的波长在1×10-4至1.0赫兹之间。不同波段的引力波,对应着不同的引力波源,是打开宇宙不同领域知识的钥匙。

中科院院士、中国科学院大学副校长吴岳良介绍,类似LIGO这样的地面激光干涉天文台探测的是高频引力波,频率在10赫兹以上,主要来自致密双星;而中频引力波则来自中等质量致密双星,宇宙大爆炸最早期产生的原初引力波也属此类;至于低频引力波,则来自于双星系、超大质量双黑洞和大质量比双黑洞的并合,以及大质量天体的爆炸等。

这些不同的频率,构成了更为完整的引力波乐章。而如果只在地面聆听,受空间距离的限制和地球重力梯度噪声的影响,频率低于10赫兹的引力波将无法被探测到。“因此,多国科学家在加紧开展空间引力波探测的研究计划。”吴岳良说。

空间引力波探测,国际合作与竞赛已经展开

从上世纪90年代起,在地面上,人类已经开始建设聆听高频引力波的“耳朵”。而在地面之外,规划和部署也已经开始。

1993年,欧洲空间局(ESA)首先提出激光干涉空间天线(LISA)计划,在10-4至10-2赫兹波段进行空间引力波测量。其计划于2030年左右,发射三颗各相距500万千米的探测器,后来又修改了方案,三个探测器的距离缩小到100万千米,更名为eLISA。2015年底,欧空局已经发射了其关键技术验证卫星LISA-Pathfinder,踏出人类太空探测引力波的第一步。

最近,美国提出了后“爱因斯坦计划”,它包括两颗星,其中一颗是“大爆炸观测者”,着重于探测地面和LISA所探测波段之间的中频(1×10-2至100赫兹)引力波。日本也提出了在相似频段观测引力波的DECIGO计划。

中国同样也在备战这一全新的宇宙天文学领域。

胡文瑞介绍,按太极计划,我国将在2035年前后发射三颗卫星组成的引力波探测星组,进行中低频波段引力波的直接探测。太极计划的技术指标在总体上将优于欧空局LISA计划的要求,频率范围将覆盖LISA的低频和日本DECIGO的中频。“该计划的主要科学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。”

这是一个中欧合作的国际合作计划。科学家为它规划出了两条发展路径:其一,是我国参加欧洲空间局的eLISA双边合作计划;其二,是我国发射一组引力波探测卫星组,与2035年左右发射的eLISA卫星组同时遨游太空,两者同时在空间中独立进行探测,互相补充和检验测量结果。胡文瑞透露,与欧空局的合作计划,今年年底前就将呈报给国家有关部门。

基础研究将带动多项技术发展

LIGO已经探测到了引力波,我们还在进行着遥远的规划,还有意义吗?

虽然“第一”的名号已经旁落,但基础研究的意义,远不止于追寻“第一”。

空间引力波探测和研究需要许多先进技术:在空间激光干涉仪方面需要稳频和锁相的大功率激光器和激光干涉系统;需要用无拖曵技术控制的高精度光学平台;需要测量超低重力水平的惯性传感器;需要控制各种噪声以分辨出引力波引起的微小距离(10-12米)的变化;以及需要与实验设备一体化的卫星研制……这些正是引力波国际探测计划要研究解决的关键技术。我国目前的技术能力与国际先进水平还有一定的差距,这种差距可以通过良好的国际合作得到一定的弥补。

“引力理论的空间检验,可以使实验频率比地面降低几个数量级、提高观测精度,孕育着自然科学的重大突破。”胡文瑞强调,“中国科技界应该在引力理论的空间检验方面逐步做出重要贡献。”

(科技日报北京2月16日电)

(责编:张帆、马丽)

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