中科院院士介绍中国引力波探测“天琴计划”

发表时间:2019-08-10

  新华网广州2月21日新媒体专电(记者王凯蕾)引力波从身边穿过,人们却一无所知,这个时代已经过去。美国“激光干涉引力波天文台(LIGO)”近日宣布第一次直接探测到引力波,引起世界瞩目。而我国自主进行的引力波探测计划“天琴计划”将如何倾听来自宇宙的声音?

  21日,在中山大学召开的推进实施“天琴计划”研讨会上,中科院院士、中山大学校长罗俊接受了新华社记者专访,他说,引力波探测是了解宇宙的新的窗口与通道,可以了解宇宙过去、现在发生了什么,意义非常重大。中国应该有一席之地,有自己的引力波探测,也应该有自己的引力波天文台。

  罗俊:“天琴计划”将向太空发射三颗卫星。这三颗卫星在以地球为中心、高度约10万公里的轨道上运行,构成一个等边三角形阵列,对一个周期仅有5.4分钟的超紧凑双白矮星系统RXJ0806.3+1527产生的引力波进行探测。

  罗俊:总体规划上,“天琴计划”预期执行期为2016-2035年,分四阶段实施。

  (1)2016-2020年:完成月球/深空卫星激光测距、空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验所需关键技术研发。主要研发成果包括:新一代月球激光测距反射器、月球激光测距台站、高精度加速度计、无拖曳控制(包含微推进器)、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距技术等;

  (2)2021-2025年:完成空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验工程样机,并成功发射下一代重力卫星和空间等效原理实验卫星。主要研发成果包含:超静卫星平台、高精度大型激光陀螺仪以及进一步提高加速度计、无拖曳控制(包含微推进器)、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距技术等;

  (3)2026-2030年:完成空间引力波探测关键技术,完成卫星载荷工程样机;

  (4)2031-2035年:进行卫星系统整机联调测试、系统组装,发射空间引力波探测卫星。

  罗俊:“天琴计划”是切实根据我国的技术能力实际和未来几十年的发展前景,提出的我国自主开展空间引力波探测的可行方案。

  “天琴计划”开展空间引力波探测需要尖端的探测技术。首先是星间激光测距。也就是两颗星之间用激光干涉的方法精确测量距离。这一点我们有了很多年积累。其次,惯性传感器,我们对此也做了10多年的技术积累。这一技术曾在2006年搭载卫星进行试验,2013年第二次卫星搭载。

  目前,国内已有十多个大学和研究院所参与了“天琴计划”的工作。同时,“天琴计划”也是一个国际合作项目,俄罗斯莫斯科大学几位教授已经参与合作,欧空局LISA计划课题组的几位核心成员非常愿意开展合作。还有来自德国、意大利、法国的顶尖教授也希望成为“”的合作者或者顾问。“天琴计划”将成为中方牵头的国际合作项目。

  目前,珠海市政府已投入约3亿元经费支持启动“天琴计划”。中山大学珠海校区正在建设引力波研究所需的地面基础设施。“天琴计划”综合设施的第一期工程包括3万平方米的综合研究大楼、1万平方米的山洞超静实验室、位于凤凰山顶的5千平方米教学、科研、科普多功能观测站。

  罗俊:一是有无光学辅助手段。“天琴计划”的引力波探测有光学天文望远镜作为辅助手段对引力波源的存在进行确认,通过天文观测已确定的双星系统,清楚它们的质量、方位、距离、相互之间绕行的轨道频率等;LIGO是通过探测到的引力波信号反演推断存在两个黑洞的合并发生,没有另外的独立方式(如光学辅助手段)进行确认,这种方式叫模型依赖。

  二是探测重点不同。“天琴计划”对一个天文已经观测到的双星系统进行观测,把实验设备调到相应的状态,对准它来检测引力波信号。我们探测低频段引力波,LIGO探测高频段引力波;我们探测是连续的引力波,可以持续验证,LIGO探测的是短时间的引力波。

  罗俊:低频与高频的区别就是大家看到宇宙不同的物理现象和物理进程。不同的频段是不同的窗口,不同的频段没有先进落后之分,就如同你推开不同的窗看到不同的风景,不同频段的引力波探测将看到不同的天文事件。

  低频引力波反映出来的东西更多元更丰富。高频引力波则大多是宇宙中更极端的事件。高频引力波是大质量的天体非常剧烈运动才能产生,香港开奖记录2018。通常只有中子星或黑洞等天体相撞才能产生。然而,宇宙中更多的天文事件不是这种极端事件。往往是两个星相隔较远绕行,持续长时间运动。当然,LIGO的引力波探测发现是人类第一次直接观测到引力波,意义非常重大。

  罗俊:资金挑战。“天琴计划”耗时约15至20年,总投资约150亿元,是一个庞大的计划。由于意义重大,该计划应该是一个国家长期支持的科研行为,需要得到国家层面的支持。

  技术挑战。引力波探测是世界科学界公认的,难度最大的尖端科技之一,从某种意义上来说,“天琴计划”比“阿波罗计划”要困难。空间引力波探测带来了前所未有的技术挑战。它首先要求三颗卫星非常精确的进入一个预先选定的轨道,之后卫星的姿态控制要求到0.05级别,卫星核心区域的温度涨落小到10-6度级别,激光测距的精度要求做到10-12米级别,扰动抑制要求做到地球表面重力加速度的10-16倍。

  罗俊:该计划需要100人左右的教师团队,四五百人的研究、工程技术人员以及博士后。我们需要很多方面的技术和人才,包括物理、材料、光学、航空航天、自动控制、机械、精密测量等等。为此,中山大学已发布招聘启事,面向全球招募人才。