“天琴”：“面壁”打造國內空間引力波探測計劃

王佳雯

30余年防空洞“面壁”打造國內空間引力波探測計劃

3月底，“天琴”空間引力波探測科學目標研討會在珠海召開，項目組不同課題的負責人介紹了空間引力波探測項目“天琴”計劃的最新研究進展。

自引力波被發現至今，科學界始終對我國引力波探測計劃十分關注。諸如，我國該不該繼續推進引力波探測計劃？我國是否有能力與國際相關引力波探測項目一較高下？這樣的討論時時出現。

如今，中山大學校長、中科院院士羅俊以及華中科技大學引力實驗中心科研團隊一一給出了答案。

發現引力波

只是開始

去年10月，2017年諾貝爾物理學獎被授予美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）引力波探測“三劍客”：基普·索恩（Kip Thorne），雷納·韋斯（Rainer Weiss）和巴里·巴里什（Barry Barish）。

至此，談到引力波，很多人的問題也從“引力波是什么”，變成了“諾獎已被引力波團隊摘得，我國為什么還要探測引力波”。但拋開心向諾獎的功利主義思維，對科學研究而言，發現引力波遠非終點，而只是開端。

“引力波天文學是非常豐富的。”羅俊在華中科技大學引力實驗中心介紹稱，不同的引力波探測頻段，對應的天文學現象大不相同。

如天琴計劃所對應的探測頻段為10-2到10-4Hz，對應的天文事件為雙星系統，如中等質量黑洞、中子星、白矮星等雙星繞行、并合等。“這個頻段有很多宇宙演化過程，有豐富的物理、天文學現象。”羅俊坦言，當初選擇這一頻段，也是經過了細致的考慮。

2013年，仍在華中科技大學任職的羅俊和團隊探討并提出天琴計劃時，全球科學家仍未探測到引力波。“確立引力波是否存在”自然成為該計劃的第一要務。

如今，LIGO團隊已確定了引力波的存在，但這并不意味著如“天琴”計劃這樣的引力波探測計劃失去了存在的價值。

“LIGO探測到的主要是雙黑洞等系統并合時間段的引力波信息，信息量有限。這意味著空間引力波探測更有意義，因為其波源更豐富，對應更豐富的天體物理過程，此外還可以和地基引力波進行組合探測實現多波段的引力波探測，獲取宇宙演化更多的信息。”華中科技大學教授、科技部引力波論證專家組成員周澤兵解釋道。

換言之，發現引力波只是打開了天文觀測的一扇新窗戶，而窗外是更廣闊的空間亟待科學家去探索。

難于大海撈針的技術如何突破

引力波是時空形變的傳播，時空會因引力波源的擾動產生微小的波動，在一個方向拉伸，在另一方向壓縮，時空不斷拉伸變化便是引力波。空間兩點之間的距離會因為引力波的存在而發生改變，而探測難點在于，引力波效應十分微弱，相距十多萬公里的空間兩點之間的距離改變一般為10～12米量級，相當于一根頭發絲直徑的千萬分之一。

用于探測引力波的“天琴”計劃是由三顆全同衛星組成一個等邊三角形陣列，衛星距離地球高度為10萬公里，兩星相距約17萬公里。這意味著，相距17萬公里的兩顆衛星，要測量出千萬分之一頭發直徑的距離按照特定規律發生的變化。

“精密測量研究最精密、最困難的大概就是引力波探測。”羅俊說。

不過，在實現利用激光測距進行深空與高軌衛星的精密定軌方面，“天琴”計劃的第一步已經成功邁出。

今年1月，“天琴”團隊與中科院云南天文臺激光測距團組合作，利用云南天文臺1.2米望遠鏡激光測距系統，成功探測到Apollo15月面反射器返回的激光測距回波信號，在國內首次成功實現月球激光測距，為高軌衛星精密定軌奠下技術基礎。

而在該實驗成功前，我國激光測距范圍只能達到四萬公里，遠不能滿足天琴計劃所需的十萬公里距離要求。

激光測距獲得突破，科學家還需要考慮探測器所受到的一系列干擾因素，如高能粒子、太陽磁場、空間磁場等復雜空間環境的影響，以及飛行器自身形變的干擾。

為了盡可能地避免干擾，飛行器不僅入軌要非常準確、兩星距離精準之外，探測器的內部環境更要盡可能安靜。“有很多（狀況）是現在不能想象的。”羅俊說，“說通俗點，有點像大海撈針，但比大海撈針還困難。”

30余年堅守期待加速推進

2016年LIGO宣布人類首次直接探測到引力波后，人們陸續關注到了國內的引力波探測計劃。然而，為大眾所忽略的是，計劃推出前科研團隊幾十年的積累與沉淀。

羅俊接受采訪的場所，被稱為華中科技大學引力實驗中心。說是實驗室，實際上是一個依山而建的防空洞。

因滿足超靜超穩的實驗要求，對引力實驗而言，這是一個絕佳的研究場所，但對于科研人員而言卻絕不是一個良好的工作環境。潮濕、不通風，團隊成員長期在這種環境下工作，身體一度出現了白化、脫發等狀況。

在這樣的條件下，羅俊帶領團隊“面壁”30余年，從引力常數測量、空間慣性傳感器研制到激光測距研究，從理論研究到工程實現，一步步積累讓引力波探測成為自然而然的選擇和方向。

科學家探索未知的樂趣，常常不能以功利的視角考量，但依靠引力波探測這一宏大科學目標的牽引，所帶動的一批技術突破卻現實可見。

華中科技大學引力中心主任涂良成介紹道，引力波的研究對儀器的精度和實驗的準確度要求都很高，比如全球重力場測量、航空重力勘探技術、精密傳感技術、超靜超穩衛星平臺技術、星間激光測距技術、高軌衛星精密定軌、多星精密編隊技術、重力輔助導航技術等，都是在這一過程中不斷精確化的結果。

正因有幾十年的積淀，在談到歐洲類似的空間引力波探測項目LISA將于2034年升空時，羅俊才說“我們很有可能會走在他們前面”。

雖然有信心，但羅俊仍希望國內相關研究推進力度能再大些。“引力波大家都認可覺得重要，它打開了解宇宙觀測宇宙的新窗口。但如何做，技術路線要在全國廣泛達成共識需要一個過程，這很正常。”他相信，隨著研究不斷地推進，屆時國內科學家一定會形成共識，推動國內空間引力波探測加速發展。

中國布局

引力波探測

美國科學家宣布成功探測到引力波后，證實了愛因斯坦引力理論的最后一項預言，震動世界。中國也正在積極布局引力波探測和研究，中國科學院2016年2月16日公布了空間引力波研究與探測的“空間太極計劃”。

按照這一計劃，中國將在2030年前后發射三顆衛星組成的引力波探測星組，用激光干涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測。主要科學目標是觀測雙黑洞并合和極大質量比天體并合時產生的引力波輻射，以及其他的宇宙引力波輻射過程。

據介紹，空間引力波探測被列入了中科院制訂的空間2050年規劃。2008年由中科院發起，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。

“空間太極計劃”涉及學科領域和前端技術廣泛，需要發展空間超遠距離超高精度激光測量、超高靈敏度慣性傳感器，以及超高精度衛星無拖曳控制等下一代高端空間技術，這些技術對于提升中國空間科學和深空探測的技術水平具有重要意義，對慣性導航、地球科學、高精度衛星平臺建設等應用領域也將發揮積極的作用。

新華