中國公布引力波探測計(jì)劃：“空間太極計(jì)劃”

中國科學(xué)院今天公布我國空間引力波探測計(jì)劃。

在我國，空間引力波探測已被列入中國科學(xué)院制訂的空間2050年規(guī)劃。2008年由中國科學(xué)院發(fā)起，中科院多個(gè)研究所及院外高?？蒲袉挝还餐瑓⑴c，成立了中國科學(xué)院空間引力波探測論證組，開始規(guī)劃我國空間引力波探測在未來數(shù)十年內(nèi)的發(fā)展路線圖。經(jīng)過幾年的努力，目前已形成了一支以中國科學(xué)院科研人員為主，胡文瑞院士、吳岳良院士為首席科學(xué)家的空間太極（Taiji）計(jì)劃工作組。在科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)空間科學(xué)預(yù)先研究項(xiàng)目連續(xù)三期的資助下，工作組組織了各種學(xué)術(shù)交流活動(dòng)和研討會(huì)包括香山會(huì)議等，在引力波源的理論及探測研究和衛(wèi)星技術(shù)研究上取得了諸多進(jìn)展。

經(jīng)引力波探測和研究工作組多次商議和論證，按太極計(jì)劃我國在2030年前后將發(fā)射由位于等邊三角形頂端三顆衛(wèi)星組成的引力波探測星組，用激光干涉方法進(jìn)行中低頻波段（1x10-4-1.0Hz）引力波的直接探測。衛(wèi)星采用無拖曵技術(shù)，星組中衛(wèi)星間距300萬公里，激光功率約2瓦，望遠(yuǎn)鏡口徑約0.5米，加速度噪音為3x10-15ms-2/√Hz。這一組技術(shù)指標(biāo)總體上優(yōu)于LISA的要求，而頻率范圍復(fù)蓋了LISA的低頻和DECIGO的中頻。太極計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)是觀測雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合時(shí)產(chǎn)生的引力波輻射，以及其它的宇宙引力波輻射過程。

空間引力波探測和研究需要許多先進(jìn)技術(shù)。在空間激光干涉儀方面需要穩(wěn)頻和鎖相的大功率激光器和激光干涉系統(tǒng)；需要用無拖曵技術(shù)控制的高精度光學(xué)平臺(tái)；需要測量超低重力水平的慣性傳感器；需要控制各種噪聲以分辨出引力波引起的微小距離的變化；以及需要與實(shí)驗(yàn)設(shè)備一體化的衛(wèi)星研制。這些正是引力波國際探測計(jì)劃要研究解決的關(guān)鍵技術(shù)。我國目前的技術(shù)能力與國際先進(jìn)水平還有一定的差距，這種差距可以通過良好的國際合作得到一定的彌補(bǔ)。目前太極計(jì)劃工作組與國際同行已建立了廣泛的聯(lián)系，與德國馬普學(xué)會(huì)引力物理研究所和萊布尼茨大學(xué)愛因斯坦研究所確立了深度合作關(guān)系。太極計(jì)劃工作組每年安排人員參加LISA合作組年會(huì)，與德國馬普學(xué)會(huì)引力物理研究所每年輪流舉辦合作交流會(huì)議，對研究中所遇到的問題進(jìn)行磋商和交流。

空間引力波太極計(jì)劃涉及學(xué)科領(lǐng)域和前端技術(shù)廣泛，包括物理學(xué)、天文學(xué)、宇宙學(xué)、天體物理、空間科學(xué)、光學(xué)，以及精密測量、航天技術(shù)、導(dǎo)航與制導(dǎo)、飛行器與軌道設(shè)計(jì)等，需要發(fā)展空間超遠(yuǎn)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(wèi)星無拖曳控制等下一代高端空間技術(shù)，這些技術(shù)對于提升我國空間科學(xué)和深空探測的技術(shù)水平具有重要意義，對慣性導(dǎo)航、地球科學(xué)、高精度衛(wèi)星平臺(tái)建設(shè)等應(yīng)用領(lǐng)域也將發(fā)揮積極的作用。

太極計(jì)劃是一個(gè)中歐合作的國際合作計(jì)劃，它有兩個(gè)方案。方案I是參加歐洲空間局的eLISA雙邊合作計(jì)劃，今年秋天將召開第三次雙方科學(xué)家會(huì)議，完成雙邊合作的可行性報(bào)告，然后各自向主管部門呈報(bào)，由雙方主管部門審批后執(zhí)行。國際上很希望能有二組空間引力波探測系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行空間探測，彼此驗(yàn)證，方案II就是發(fā)射一組中國的引力波探測衛(wèi)星組，與2035年左右發(fā)射的eLISA衛(wèi)星組同時(shí)邀游太空，進(jìn)行低頻引力波探測。方案II擬于2033年前后發(fā)射，實(shí)現(xiàn)我國大型先進(jìn)科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃的突破。屆時(shí)，中國衛(wèi)星組與eLISA衛(wèi)星組同時(shí)在空間獨(dú)立進(jìn)行引力波探測，互相補(bǔ)充和檢驗(yàn)測量結(jié)果，我國將成為國際上空間引力波研究最重要基地之一。以基礎(chǔ)科學(xué)研究為牽引，我國在空間科學(xué)研究、高端空間技術(shù)和科學(xué)衛(wèi)星的整體水平上將會(huì)有一個(gè)質(zhì)的飛躍。

一百年前，愛因斯坦在創(chuàng)立了廣義相對論后不久就提出了引力波存在預(yù)言。百年來，世界各國的科學(xué)家為尋找和發(fā)現(xiàn)引力波付出了巨大的努力，建造了多種實(shí)驗(yàn)裝置。1974年，Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星PSRB1913+16,并在后續(xù)觀測中間接找到了引力波存在的證據(jù)，于1993年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2016年2月11日LIGO（激光干涉引力波觀測站）實(shí)驗(yàn)組宣布直接觀測到引力波信號。這一劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)不僅是對愛因斯坦廣義相對論一次意義非凡的直接驗(yàn)證，也為人類進(jìn)一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了一個(gè)全新的觀測手段，包括探測宇宙大爆炸時(shí)期的引力波，為深入研究超越愛因斯坦廣義相對論的量子引力理論提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，開啟了引力波物理和天文學(xué)以及量子宇宙物理研究的新紀(jì)元。

宇宙中引力波來自天體的能量和質(zhì)量變化，不同頻率的引力波對應(yīng)于不同的天體物理過程。引力波譜的分析表明，地面觀測的高頻引力波主要對應(yīng)于致密雙星的引力輻射。上世紀(jì)60年代，人們開始在地面用共振天線探測引力波，但是由于靈敏度不夠而未獲得肯定的結(jié)果。90年代以來，人們開始用激光干涉方法在地面測量引力波，臂長分別達(dá)到4公里，3公里，600米，和300米，其技術(shù)水平比共振天線法的探測靈敏度提高了四個(gè)數(shù)量級，使得LIGO實(shí)驗(yàn)組最終能夠直接觀測到引力波的信號。

近些年X射線的天文觀測提供了星團(tuán)等稠密動(dòng)力學(xué)環(huán)境中中等質(zhì)量黑洞存在的證據(jù)，而在宇宙學(xué)星系成長的等級過程中，中等質(zhì)量黑洞作為超大質(zhì)量黑洞早期種子來源的存在，也已在理論上被人們普遍接受?；诘孛娴囊Σㄌ綔y實(shí)驗(yàn)裝置，由于受空間距離的限制和地球重力梯度噪聲的影響，無法探測低于10Hz的引力波，使其研究目標(biāo)變得較為有限。為此，多國科學(xué)家都在加緊開展空間引力波探測的研究計(jì)劃。1993年歐洲空間局首先提出激光干涉空間天線計(jì)劃，在10-4-10-2Hz波段進(jìn)行空間引力波測量。1997年美國空間局加入，成為歐、美聯(lián)合計(jì)劃。LISA計(jì)劃的引力波源是雙星系、超大質(zhì)量雙黑洞和大質(zhì)量比雙黑洞的并合、普通星系核中大質(zhì)量黑洞捕獲恒星質(zhì)量黑洞、超致密雙星、以及大質(zhì)量天體的爆炸等。2015年底已發(fā)射了LISA的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星LISA-Pathfinder，計(jì)劃于2025年左右發(fā)射由三顆各相距500萬公里，裝有空間激光干涉儀的衛(wèi)星組進(jìn)行空間引力波探測。最近，美國提出的后“愛因斯坦計(jì)劃”包括兩顆星，其中一顆是“大爆炸觀測者”，著重于探測地面和LISA之間的中頻引力波。日本也提出了在相似頻段觀測引力波的DECIGO計(jì)劃。中頻波段的引力波源主要是中等質(zhì)量的致密雙星，以及宇宙大爆炸早期產(chǎn)生的引力波?？臻g激光干涉法測量中、低頻引力波將是天文學(xué)和空間宇宙物理最前沿的課題。