引力波探測的中國路徑

楊智杰

在國際上引力波探測的消息不斷傳出之后，已著眼于引力波

探測多年的中國科研團隊也漸漸“顯山露水”。雖然過去失去了

很多機會，但反過來想，中國必須現在就開始長期部署。

基礎研究是需要積累的，現在不部署，將來永遠跟在別人后面

今年物理學界最熱的一條新聞是緊跟著諾貝爾物理學獎而來的“應景之作”，而且它不屬于某一個國家，而是一次世界性的狂歡：美國國家航空航天局（NASA）、歐洲南方天文臺、中國南京紫金山天文臺、英國科技設備委員會等全球數十家科研機構在經過一番造勢預告之后，于北京時間10月16日晚10點發布消息：今年8月17日，LIGO和Virgo共同探測到引力波事件GW 170817，這也是人類第一次直接探測到由兩顆中子星并合產生的引力波。隨后幾秒中，美國宇航局Fermi伽馬射線衛星和歐INTEGRAL衛星都探測到了一個極弱的短時標伽馬暴GRB 170817A。

這并非人類第一次探測到引力波：2016年2月11日，LIGO團隊正式宣布首次觀測到宇宙中的引力波現象，證實愛因斯坦100余年前廣義相對論的預言。今年這次引力波再度“光臨”的特殊之處在于，它是雙中子星而非雙黑洞并合而產生的，因而科學家們既捕捉到了引力波，又測到了碰撞產生的光線。不僅如此，科學家們還首度獲得直接證據，證明中子星并合過程會產生鉑、金和鈾等重元素。

就在此次引力波探測的重磅消息發布前不久，三位LIGO探測器和引力波觀測領域的美國科學家剛剛榮獲了2017年諾貝爾物理學獎。隨著科學奧秘的逐漸揭開，公眾更多地知曉了引力波。同時，已著眼于引力波探測多年的中國科研團隊也漸漸“顯山露水”。

“慧眼”暗送引力波

中國第一顆空間X射線天文衛星“慧眼”HXMT望遠鏡也參與到這次全球聯合探測引力波的過程中——雖然這不是它設計時的本意。據介紹，“慧眼”在0.2～5百萬電子伏特（MeV）能區的探測接收面積最大、時間分辨率最好，因此對引力波閃的MeV能區的伽馬射線輻射的探測能力最強。

“慧眼”的首席科學家張雙南回憶，8月17日當晚，他的團隊對整個事件進行觀測，開展了幾乎實時的數據分析，并迅速發布了觀測結果。

按照中科院高能所研究員熊少林的解釋，本次雙中子星并合產生的引力波閃在MeV區的輻射微弱，包括“慧眼”在內，全世界的天文望遠鏡并沒有在這個能區探測到引力波閃。不過“慧眼”的成果是，對引力波閃在該能區的輻射性質給出了限制，為全面理解雙中子星并合引力波事件和引力波閃的物理機制做出了貢獻，相關探測結果發表在報告此次歷史性發現的研究論文中。

在此次引力波事件發生24小時后，中國南極巡天望遠鏡也參與其中。在中國南極昆侖站運行的第二臺望遠鏡AST3-2，對該引力波事件展開為期10天的觀測，獲得大量重要數據，并探測到此次引力波事件的光學信號。這些數據和全球其他天文臺的觀測結果一起證實，雙中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素（金、銀）的起源。

事實上，在過去近十年間中國一直在準備開展引力波探測工作。中科院院士、理論物理學家吳岳良向《中國新聞周刊》介紹，目前學界探測引力波有4種方式，根據引力波頻率不同，分別針對不同天體物理與宇宙學起源的引力波信號，中國目前實施的是其中的3種。

雖然都叫引力波，但按照頻率區分，10赫茲以上甚至幾千赫茲的高頻段引力波的主要信號源是中子星、恒星級黑洞等致密天體組成的雙星系統并合過程。對它的探測手段是使用地面數公里的激光干涉裝置，它的代表性項目就是最近幾次探測引力波的主角LIGO，目前國內尚沒有此類探測方式。

頻率在10-5～1 Hz之間的引力波對應信號來源豐富一些，包括大質量黑洞、銀河系內的白矮雙星系統等，這類引力波信號探測的手段是使用空間衛星陣列。國外有名的是歐洲空間局批準的大型空間實驗衛星項目LISA。國內目前有兩個項目正在開展這類觀測，分別是中科院力學所和中國科學院大學領導的“太極計劃”，以及中山大學領導的“天琴計劃”。

超大質量黑洞并合時發出的引力波對應頻率在10-6～10-8赫茲。但是與星系中心數百萬甚至數億太陽質量的巨大黑子發出浩瀚的引力波信號相比，人類能建造的探測器太小了，哪怕把整個太陽系當做探測器都不夠。于是人們想到利用校準后的毫秒脈沖星進行探測。其原理是，脈沖星自轉周期極其穩定，可以作為時間標尺，精確校準的毫秒脈沖星在宇宙中排成校準源的一個龐大陣列，天文學家利用大型地面射電望遠鏡作為探測器，監視宇宙中可能經過的低頻時空漣漪。中國貴州群山中500米口徑的球面射電望遠鏡FAST就有此功能。

頻率最低的是原初引力波，它是愛因斯坦于1916年發表的廣義相對論中提出的，是宇宙誕生之初產生的時空波動，這種信號能告訴我們極為重要的關于宇宙誕生之初的物理學過程，其探測方法需要通過對宇宙微波背景輻射（CMB）進行觀測。中科院高能物理所領導的“阿里計劃”是這種方法的主要代表。

以上四種探測方法與目標各不相同，互不干涉，就像收聽收音機，不同的頻段只能收聽固定的節目。隨著2016年2月11日引力波首次被探測到，中國探測引力波的“阿里”“天琴”“太極”等項目開始得到極大推動。

從“太極”到“天琴”

2016年LIGO團隊首次宣布探測到引力波之后的第5天，中科院正式提出“太極計劃”，由中科院院士胡文瑞、吳岳良作為雙首席科學家共同領導。事實上，“太極”的想法始于2008年，吳岳良記得，當時中科院在部署前瞻性基礎研究，胡文瑞就申報了引力波項目，后來LIGO取得的成果使他們加快了步伐。

再往前追溯，中國的引力波研究最早始于1970年代。據吳岳良介紹，20世紀60年代，美國馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯宣布探測到引力波，引發了全球的興趣，當時中科院高能物理所、中山大學也做了相關研究。但很快因韋伯的實驗無法重復，這股研究熱潮也就漸漸退去，引力波需要的技術和方法當時在國內都不具備，相關研究也就逐漸停止了。

隨后幾十年，中國的引力波研究出現斷層。除了技術上的局限之外，吳岳良認為更重要的是，引力波太過微弱，大家都對是否能觀測到報以消極態度。此類基礎研究需要投入高額經費，卻前景不明，因而引力波研究看起來“性價比”不高。

雖然中科院在2008年就成立了引力波專家組，但在當時引力波研究仍屬于“自由探索的小項目”，以理論探索、方案和概念設計為主，所投入的經費不多。

上世紀90年代，NASA和歐洲空間局共同推出空間探測引力波的LISA計劃。2011年，NASA因預算問題退出項目，歐空局希望能夠找到其他合作方，于是向中科院伸出了橄欖枝。中方表示愿意合作，而歐空局提出加入LISA的條件是，以儀器或實物形式出資LISA任務總額的20%。

雖說是中歐合作，但“太極計劃”目前做了兩手準備。據介紹，方案一是參加歐洲空間局的LISA雙邊合作計劃，方案二是發射三顆中國的引力波探測衛星組，與2035年左右發射的LISA衛星組同時遨游太空，獨立進行引力波探測，兩組衛星互相補充和檢驗測量結果。

吳岳良坦言，目前“太極計劃”已經能夠負擔這20%的經費要求，這表明該計劃的科研實力在投入方面已經有了基礎。實際上，“太極”的最大競爭對手也是LISA，兩者是既競爭又合作的關系。

2016年，“太極”團隊啟動5年預演階段，著力于關鍵技術突破、科學目標論證和方案設計。在未來10年，團隊計劃做關鍵技術測試，發射試驗星。再往后的10年，目標是爭取實現在2033年正式發射衛星。

發射三顆全同的衛星在太空組成等邊三角形陣列，這不僅是LISA和“太極”的計劃，國內另一個空間探測引力波的項目、由中山大學領導的“天琴計劃”也同樣如此。

“天琴計劃” 比“太極計劃”更早提出立項申請，也是由中國科學家主導的國際合作項目。該工程分成四部分，最終要放三顆衛星到距地球50萬公里的高軌上，主要用來測量引力波。整個項目計劃用時15～20年，總投資約150億元人民幣，“天琴”部分基礎設施目前已經在建。

“天琴”和“太極”都是空間探測引力波項目，同樣需要高額經費。吳岳良提到，雖然兩者在運行軌道、空間目標等方面有所不同，但國家是否有經費同時支持兩個空間探測引力波的項目，現在還不確定，需要進一步論證。

在國際上引力波探測的消息不斷傳出之后，吳岳良的團隊在思考：這樣的項目中國能不能做？雖然過去失去了很多機會，但反過來想，我們必須現在就開始長期部署。基礎研究是需要積累的，現在不部署，將來永遠跟在別人后面。“美國堅持了40多年，這個過程允許失敗，因為基礎研究本身就是探索未知，未知就是誰也不知道。”

“阿里”的雄心

在中國，另一個引力波探測項目是由中科院高能物理研究所研究員張新民在2014年提出并領導的“阿里計劃”，其目標是在中國西藏阿里地區建設微波天文臺，探測原初引力波。

當今的宇宙起源模型認為，宇宙大爆炸時會發生宇宙時空劇烈的“暴脹”過程，時空的劇烈擾動會產生一個引力波的背景信號，也就是原初引力波信號，這個信號一旦被探測到，就可以為人類解開宇宙誕生的奧妙。

“阿里計劃”還有一個優勢，就是和國內其他兩個探測項目相比，它的周期短，投入少。空間探測計劃基本都需要15～20年的周期，而張新民團隊的計劃是“三年建設，五年出成果”，即在2019年底前建設觀測倉、蓋好裝望遠鏡的基座、安裝望遠鏡并進行調試，2020年開始觀測，2022年出成果。

同時，原初引力波目前仍未被人類發現，“這給了我們一個很好的機遇，我們可能有機會最先探測到原初引力波。” 張新民說。

在得知LIGO團隊探測出引力波的時候，除了祝賀國外同行外，張新民也在思考，我們國家在這些大的科學項目上該怎么做？現在還留給我們多少原創的東西？

“阿里計劃”從2014年提出后，逐漸吸引各方的參與，變成由中科院高能物理研究所牽頭、多家單位參與的合作項目。其合作單位包括國家天文臺、天光所、紫金山天文臺、上海微系統所、西藏大學、北大、清華、美國斯坦福大學等。目前，臺灣大學正在申請參與該計劃。

2016年2月LIGO首次宣布探測到引力波以后，改變也隨之而來。“阿里計劃”得到了國家的特殊支持，分別獲得中科院先導計劃B、科技部、國家自然科學基金委的經費。科技部還專門成立引力波研究專家委員會，引力波專項即將啟動。

今年8月，國務院副總理劉延東在中國科學院院長白春禮和西藏自治區黨委書記吳英杰陪同下，實地考察了海拔5250米的原初引力波探測實驗平臺建設現場。

作為該項目首席科學家的張新民趕上了機遇，在得到政府政策和資金上的支持的同時，他也備感壓力。他說，“當下最重要的，就是加快進程。”

但是科學家們也會遇到難題，比如基金不能自主使用。“國家對科研基金的使用有很多限制。例如，基金到了，只能買望遠鏡或者研究望遠鏡，但是我做的這個項目，最開始必須做土建，建房子、修路、拉電、通網絡等，它不是一個已經建好的地方，一定要從基礎設施開始。目前我們在做科技部的項目，這部分經費就不支持基礎設施建設。”張新民說。

從去年開始，引力波探測突然備受關注，隨之而來的，人才需求成為一大問題。吳岳良領導的“太極計劃”現在遇到的一個困難就是人才儲備不夠，因為過去引力波探測領域中國存在人才的斷層，專門做空間引力波探測的人才不夠。他們只能利用中科院有眾多研究所的優勢，協調和召集各方面的技術人才。

張新民認為，當下的科研評價體系也需要改進。科研人員需要在核心期刊上發表論文，其研究成果和“百人計劃”“千人計劃”等頭銜息息相關，這些都影響到研究人員的職稱和物質生活。但是像“阿里計劃”這樣的項目在工程期間出不了成果，導致團隊很難招到合適的年輕人。

另外，項目在招聘時也會對人才提出各種各樣的要求。從國外回來的相對而言有較大優勢， 而國內畢業的博士就會遇到很大困難。 “對于新東西的研究，人才肯定稀缺，就不能拿一個通常的標準來衡量，不能單一地數論文的數目， 以及是否有留學經歷。需要看的是真才實學，是不是所需要的。”張新民認為，對于探測引力波這樣有前瞻性的基礎研究項目，要做出創新，就需要團隊領導者有破格提拔人才的權力。“必須尊重科學規律，讓項目負責人能自主使用經費、聘用人員。”