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【中国科学报】“天琴”:三十载“面壁”打造引力波探测计划


稿件来源:中国科学报2018-04-04第1版 | 作者:王佳雯 | 编辑:郝俊 | 发布日期:2018-04-04 | 阅读次数:


        3月底,“天琴”空间引力波探测科学目标研讨会在珠海召开。项目组不同课题的负责人介绍了“天琴”计划的最新进展。
        自引力波被发现至今,科学界始终对我国引力波探测计划十分关注。我国该不该继续推进引力波探测计划?是否有能力与国际相关引力波探测项目一较高下?这样的讨论时时出现。
        如今,中山大学校长、中科院院士罗俊以及华中科技大学引力实验中心科研团队一一给出了答案。

        发现引力波只是开始

        去年10月,2017年诺贝尔物理学奖被授予美国激光干涉引力波天文台(LIGO)引力波探测“三剑客”:基普·索恩、雷纳·韦斯和巴里·巴里什。
        至此,谈到引力波,很多人的问题也从“引力波是什么”变成了“诺奖已被引力波团队摘得,我国为什么还要探测引力波”。但抛开心向诺奖的功利主义思维,对科学研究而言,发现引力波远非终点,而只是开端。
        “引力波天文学是非常丰富的。”罗俊在华中科技大学引力实验中心接受记者采访时介绍说,不同的引力波探测频段对应的天文学现象大不相同。
        例如,“天琴”计划对应的探测频段为10-2到10-4赫兹,对应的天文事件为双星系统,如中等质量黑洞、中子星、白矮星等双星绕行、并合等。“这个频段有很多宇宙演化过程,有丰富的物理、天文学现象。”罗俊坦言,当初选择这一频段也是经过了细致的考虑。        
        2013年,仍在华中科技大学任职的罗俊和团队探讨并提出“天琴”计划时,全球科学家仍未探测到引力波。“确立引力波是否存在”自然成为该计划的第一要务。
        如今,LIGO团队已确定了引力波的存在,但这并不意味着像“天琴”一样的引力波探测计划失去了存在的价值。
        “LIGO探测到的主要是双黑洞等系统并合时间段的引力波信息,信息量有限。这意味着空间引力波探测更有意义,因为其波源更丰富,对应更丰富的天体物理过程。此外,还可以和地基引力波进行组合探测,实现多波段的引力波探测,获取宇宙演化的更多信息。”华中科技大学教授、科技部引力波论证专家组成员周泽兵解释说。
        换言之,发现引力波只是打开了天文观测的一扇新窗户,而窗外是亟待科学家探索的更广阔的空间。

        难于大海捞针的技术如何突破

        引力波是时空形变的传播。时空会因引力波源的扰动产生微小的波动,在一个方向拉伸,在另一方向压缩,时空不断拉伸变化便是引力波。空间两点之间的距离会因为引力波的存在而发生改变。探测难点在于,引力波效应十分微弱,相距十多万公里的空间两点之间的距离改变一般为10-12米量级,相当于一根头发丝直径的千万分之一。
        用于探测引力波的“天琴”计划是由3颗全同卫星组成的一个等边三角形阵列,卫星距离地球高度为10万公里,两星相距约17万公里。这意味着相距17万公里的两颗卫星,要测量出千万分之一头发直径的距离按照特定规律发生的变化。
        “精密测量研究最精密、最困难的大概就是引力波探测。”罗俊说。
        不过,在利用激光测距进行深空与高轨卫星的精密定轨方面,“天琴”计划的第一步已经成功迈出。
        今年1月,“天琴”团队与中科院云南天文台激光测距团组合作,利用云南天文台1.2米望远镜激光测距系统,成功探测到阿波罗15号月面反射器返回的激光测距回波信号,在国内首次成功实现月球激光测距,为高轨卫星精密定轨奠定了技术基础。
        而在该实验成功前,我国激光测距范围只能达到4万公里,远不能满足“天琴”计划所需的10万公里距离要求。
        激光测距获得突破,科学家还需要考虑探测器受到的一系列干扰因素,如高能粒子、太阳磁场、空间磁场等复杂空间环境的影响,以及飞行器自身形变的干扰。
        为了尽可能地避免干扰,不仅飞行器入轨要非常准确、两星距离要精准,探测器的内部环境更要尽可能安静。“有很多(状况)是现在不能想象的。”罗俊说,“有点像大海捞针,或者说比大海捞针还困难。”

        30余年坚守 期待加速推进

        2016年LIGO宣布人类首次直接探测到引力波后,人们陆续关注到国内的引力波探测计划。然而,为大众所忽略的是,计划推出前科研团队几十年的积累与沉淀。
        罗俊接受本报记者采访的场所,被称为华中科技大学引力实验中心。说是实验室,实际上是一个依山而建的防空洞。
        因满足超静超稳的实验要求,对于引力实验而言,这是一个绝佳的研究场所。但对于科研人员而言,这里绝不是一个良好的工作环境。潮湿、不通风,团队成员长期在这种环境下工作,身体一度出现白化、脱发等状况。
        在这样的条件下,罗俊带领团队“面壁”30余年,从引力常数测量、空间惯性传感器研制到激光测距研究,从理论研究到工程实现,一步步积累让引力波探测成为自然而然的选择和方向。
        科学家探索未知的乐趣,常常不能以功利的视角考量,但依靠引力波探测这一宏大科学目标的牵引,所带动的一批技术突破却现实可见。
        华中科技大学引力中心主任涂良成介绍说,引力波研究对仪器的精度和实验的准确度要求都很高,比如全球重力场测量、航空重力勘探技术、精密传感技术、超静超稳卫星平台技术、星间激光测距技术、高轨卫星精密定轨、多星精密编队技术、重力辅助导航技术等,都是在这一过程中不断精确化的结果。
        正因有几十年的积淀,在谈到欧洲类似的空间引力波探测项目LISA将于2034年升空时,罗俊才说,“我们很有可能会走在他们前面”。
        虽然有信心,但罗俊仍希望国内相关研究的推进力度能再大些。“大家都承认引力波研究很重要,因为它打开了解观测宇宙的新窗口,但关于如何去做的技术路线要在全国广泛达成共识需要一个过程。这很正常。”他相信,随着研究不断推进,届时,国内科学家一定会形成共识,推动国内空间引力波探测加速发展。

        原文链接:http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2018/4/333991.shtm

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