中国本土引力波探测工程“天琴计划”正在立项

澎湃新闻记者 王灿

2016-02-13 11:07 来源:澎湃新闻

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当地时间2016年2月8日,激光干涉引力波天文台发布的图片显示美国科研技术人员操作大型光学机械。 视觉中国 图
近日,美国国家科学基金会(NSF)宣布人类首次直接探测到了引力波,印证了爱因斯坦的预言。中新社12日援引广州中山大学相关人士称,中国本土重大引力波探测工程“天琴计划”已于2015年7月份正式启动,部分关键技术研究已有具体进展,目前正在立项中。
“天琴计划”是中山大学发起的一个科研计划。目前中山大学正在组建研究小组开展中国空间引力波探测计划任务的预先研究,制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,并开展关键技术研究等。该科研计划的名字“天琴”,就好似在太空中大自然通过自身的引力波而弹奏的古琴。
当地时间2月11日,激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布,人类首次直接探测到了引力波,且首次观测到了双黑洞的碰撞与合并。
简单来说,引力波是一种时空“涟漪”,如同石头被丢进水里产生的波纹,黑洞、中子星等天体在碰撞过程中都有可能产生引力波。一百年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。此前,广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实,但作为爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”,引力波因信号极其微弱,技术上很难测量,一直未被证实。
如今引力波被证实存在,这将成为物理学界乃至人类认知领域里程碑的重大成果。
英国著名理论物理学家斯蒂芬•霍金在接受英国广播公司(BBC)专访时表示:“引力波提供看待宇宙的崭新方式,发现它们的能力,有可能使天文学起革命性的变化。这项发现是首度发现黑洞的二元系统,是首度观察到黑洞融合。”
多种手段可探测引力波的存在
根据爱因斯坦的广义相对论,引力是因为质量对于时空造成了变形所导致的,而并非质量之间的吸引。倘若把时空看作是海洋,宇宙中的天体类似于海洋中的生物。当海洋中的生物进行游动等各种动作时,海水会受到影响会产生波动。类似地,当宇宙中的天体发生剧烈活动时,也会使时空产生波动,这种时空的波动就是引力波。
虽然引力波无处不在,但一般情况下非常微弱,只有像黑洞等大型天体相撞合并等,才会产生足够强烈的引力波。此次科学家有幸探测到的引力波,便是双黑洞碰撞与合并时产生的。
麻省理工学院物理系Pappalardo研究员苏萌撰文解读时称,因为天体的质量不同,其产生引力波的频率也不等。除了原初引力波,其他的引力波的探测手段多与引力波的频率有关。
早在2014年3月,美国哈佛-史密森天体物理学中心等机构物理学家利用架设在南极的BICEP2望远镜,观测宇宙大爆炸的“余烬”——微波背景辐射,后被证实是一个错误。苏萌称,这种就是原初引力波。宇宙大爆炸时会发生宇宙时空剧烈的暴胀过程,时空剧烈扰动会产生一个引力波的背景信号。但这种引力波的波长和整个宇宙的尺度相当,是频率最低的引力波类型,只能通过对宇宙大爆炸后遗留下来的宇宙微波背景辐射中蛛丝马迹的缜密观测,来寻找原初引力波的信号。
除了原初引力波外,包括此次探测到的引力波在内的其他引力波的探测方式基本上与引力波的频率有关。
此次,LIGO 的研究人员探测引力波信号,是以地面激光干涉手段探测引力波的主要代表实验,其探测目标在几十赫兹到几千赫兹的高频段,主要的引力波信号源是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统并合过程,探测方式是地面数公里的激光干涉装置。
这种用激光干涉探测引力波的方法最初是在上世纪80年代提出的,主要的提出人有MIT物理学教授、荣休教授雷纳•韦斯(Rainer Weiss),加州理工的理查德•费曼理论物理讲座教授、荣休教授基普•索恩(Kip Thorne)等人。
苏萌称,还有一种是超大质量黑洞并合时发出的引力波,其对应的频率在百万分之一赫兹到亿分之一赫兹,这种引力波可通过精确测定脉冲星到达时间来进行探测。
苏萌表示,当引力波的频率在十万分之一赫兹到一赫兹时,对应天体的信号来源则稍丰富,如质量稍小一些的大质量黑洞并合过程的后期,这类引力波信号探测的手段是空间卫星阵列。比如,欧洲航天局2000年曾宣布,与美国合作共同实施“激光干涉空间天线(Laser Interferometer Space Antenna,LISA)”计划,共发射3颗卫星,组成一个边长为500万公里的巨大三角形,它们之间以激光束相连,在太空中进行观测,其第一颗探测卫星“LISA探路者”已于2015年12月成功发射升空。目前中国中山大学的“天琴计划”,也正打算用该方式进行空间引力波的探测。

引力波说明图
中国空间引力波探测的“天琴计划”尚未正式立项
2015年7月,中山大学在以高达百万元的年薪招聘团队负责人时透露,“天琴计划”主要将分四阶段实施:第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等天琴计划地面辅助设施;第二阶段完成无拖曳控制、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;第三阶段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;第四阶段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。
彼时,天琴计划中的山洞超静实验室和激光测距地面台站基础设施建设已经启动,部分关键技术研究也已经有具体进展。
中山大学的校长罗俊作为“天琴计划”的领导者,2015年12月以罗俊作为通讯作者的专家组还在Classical and Quantum Gravity杂志上发表了32页的文章,名为TianQin: a space-borne gravitational wave detector(天琴:星载引力波探测器)。对“天琴计划”的初步任务、检测的灵敏度以及技术现状进行了大致阐述。
中山大学天文与空间科学学院院长李淼曾在接受财新记者采访时称,完成全部四个子计划,大约需要二十年的时间,投资大约150亿。“天琴计划”将需要一百人左右的教师团体,四五百人左右的研究、工程技术人员以及博士后。不过,其也表示,天琴项目仍在进展中,还没能获得政府部门的立项。
李淼短信回复澎湃新闻(www.thepaper.cn)采访“天琴计划”的具体情况时称,春节过后将会针对“天琴计划”进行开会商讨,但具体情况目前不方便透露。
引力波已被证实存在是否能够加速“天琴计划”的立项速度,目前也尚不可知。
“天琴计划”尚未正式立项,此前中国引力波的研究也非一帆风顺。
早在1969年,美国马里兰州立大学的韦伯宣称已探测到不排除为引力波的信号,韦伯的实验结果引起物理学界极大的关注,世界许多实验室都行动起来,重复韦伯的实验。
1973年春,著名物理学家周培源教授发表了要重视基础研究的文章,传达了周恩来总理的声音,要在中国物理学领域开拓关于引力波的研究。北京、广州两地的科学家积极响应,彼时中山大学物理学教授陈嘉言等人也决定参加引力波探测研究。随后,陈嘉言在引力波方面做出了巨大的贡献,并得到了国际的认可。
但是,后来由于科研的投入以及引力波科研环境的变化,大约在1998年至2008年间,中国对于引力波的探索就处于空白的状态。
2008年,在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下,中科院多个研究所及院外科研单位共同成立了科学院空间引力波探测工作组,才开始探索中国空间引力波探测的可行性。这一项目也被列入中科院空间科学2050年规划。
2011年,香山科学会议第403次学术讨论会的主题就是空间引力波的探索,与会的专家权衡利弊,一致认为中国发展空间引力波天线更加合适。因为空间天线虽然技术难度以及风险大,但从科学和技术创新上讲意义更大;地面引力波天线虽然相对容易实现,但我们落后国际水平太多,并且国外已有很长时间正常运行的天文台,未来实现赶超的可能性较小。同时专家还认为探测引力波工程,将可以催生不是一个,而是一批诺贝尔奖。
2015年5月,第二届天琴空间科学任务研讨会在中山大学珠海校区举办,中国科学院力学研究所胡文瑞院士,中国科学院武汉物理与数学研究所叶朝辉院士,中国科学院院士、中山大学校长罗俊等重量级专家等出席会议,该研讨会也标志着空间引力波探测“天琴计划”的立项申请工作的正式启动。
LIGO科学合作组织的研究成员、加州理工学院物理学教授陈雁北在接受新华社采访时表示,希望“天琴计划”能实现3个愿景。首先,测量引力波可借助不同的“窗口”。如果中国的空间引力波项目观测到大质量或超大质量的黑洞并合,将对人类理解宇宙演化起到非常重要的作用。其次,“天琴计划”可与LIGO天文台进行联合观测,将使科学家对同一波源掌握更多信息。此外,将“天琴计划”作为发展空间技术的平台,促成不同领域科学家的合作,无疑对中国的计划具有重要意义。
探索
我是LIGO科学合作组织成员,关于参与引力波观测的体验,问我吧!
胡一鸣 2016-02-12 331 已关闭提问
探索
我是马普引力物理所的博士生,引力波如何被发现?发现引力波的意义何在?问我吧!
明镜 2016-02-12 302 已关闭提问
责任编辑:李跃群澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 天琴座,引力波,150亿,20年,澎湃,澎湃新闻,中山大学

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