中大弹“天琴计划”捕捉引力波.doc

中大弹“天琴计划”捕捉引力波 您需要登录后才可以回帖登录|注册发布 聆听宇宙之声，中国有何作为?目前中国的引力波研究主要有两个方向，一是由中山大学领衔的“天琴计划”，一是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”。前者是去太空捕捉引力波，后者是在地面探测原初引力波，是两个完全不同的研究方向和科学目标。 中国科学院刚刚公布了一项新的探测引力波的“空间太极计划”，那么中山大学的“天琴计划”有何进展呢?近日，中国科学院院士、中山大学校长罗俊接受采访，详解由其领衔的上天探测引力波的“天琴计划”，并表示“已做了20多年的技术储备”。 罗俊说，“天琴计划”不为功利，但是它也有可能是最大的功利。这一计划的实施时间比较长，要15年20年研究时间，因此各方要有足够的耐心。“天琴计划”是与国际上顶尖的科学家、顶尖的科研技术部门进行交流，将集成全世界最尖端最好的相关技术，改变中国在国际科技界的形象。 三颗卫星捕捉宇宙“琴音” 高精度的激光干涉测距技术将被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化，从而获得有关引力波的信息。 按照计划，“天琴计划”将发射三颗卫星，三颗卫星在太空中的分列图类似乐器竖琴，故命名为“天琴计划”。卫星将对确定的引力波源进行探测，捕捉宇宙的“琴音”。 “天琴计划”将以在中山大学珠海校区建设天琴计划综合研究设施为阵地，发展空间引力实验关键技术，在引力理论与实验分析、卫星平台与控制、光学测量与遥感、地月系统物理实验等四个方面展开系统研究。 罗俊解释说，三颗卫星上将安装推力可以精细调节的微牛级推进器，实时调节卫星的运动姿态，使得检验质量始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。高精度的激光干涉测距技术将被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化，从而获得有关引力波的信息。 与国外的LISA或eLISA等计划不同的是，天琴的卫星将在以地球为中心、高度约10万公里的轨道上运行，针对确定的引力波源进行探测。这样能够避免测到引力波信号却无法确定引力波源的问题，而且有望帮助节约大量卫星发射方面成本。 罗俊说，“天琴计划”用15年20年的时间发射卫星上天，实施时间比较长，因此需要各方有足够的耐心。国外的“LISA计划”也预计于2034年发射卫星升空。两个计划时间上差不多。天琴的实验技术方案会在未来的研究中进一步优化，以实现其科学价值最大化。 已有20年关键技术储备 xx年1月在接棒中大校长之前，罗俊一直在华中科技大学从事物理学研究，其引力实验室也被外国专家称为“世界的引力中心”，并完成了“天琴计划”的一些关键技术的储备。 如此庞大的科技工程，中大完成了哪些技术研究呢?熟知罗俊的人清楚，xx年1月在接棒中大校长之前，他一直在华中科技大学从事物理学研究，其引力实验室也被外国专家称为“世界的引力中心”，并完成了“天琴计划”的一些关键技术的储备。 罗俊说，“天琴计划”不是今天才提出的，而是一直边建设边积累。在“十二五”规划期间，国内不少科学家关注到引力波，并建议他申报引力波大科学工程。他回答说，工程已在陆续开展，第一期是测地，第二期才是观天，探测引力波。 经过20多年的系列实验，罗俊团队已经积累了很多关键技术。例如，星间激光测距技术，就是在两颗星之间用激光干涉的方法精确测量距离，同时还积累了10多年的惯性传感器技术，曾在xx年搭载卫星进行试验，xx年第二次卫星搭载。 罗俊说，“天琴计划”不仅仅是基础研究，“天琴计划”发展起来的关键技术可用于很多领域，如精确测量地球重力场，使人类更加深刻地了解地球、水资源和矿产资源的分布和变化。又如精确测量距离，大到两颗卫星之间的距离，小到一个原子尺度的变化，都可以精确测算出来。 为什么要推进“天琴计划”? 探测到引力波的意义在哪里? 罗俊：引力波的发现，开辟了观测宇宙的新窗口，意义非常重大。引力波是从另外一个视角观测宇宙，将更深刻地了解宇宙的演化。宇宙的演化过程会有不同频段的引力波，而引力波可以追溯早期的宇宙，也可以看得到恒星的形成过程，看到一个星的衰亡，或者黑洞的并合出现的引力波。 LIGO提出想法是在上世纪70年代，当时激光刚刚出现。他们做了近20年的技术储备在1991-1992年才立项。从科学意义角度讲，它证实了爱因斯坦广义相对论的最后一项预言。 引力波一旦探测到，为我们开辟了观测宇宙的新窗口。我们知道观测宇宙有很多手段，你用可见光波段、红外波段、紫外波段、X射线观测，不同的波段观测到宇宙的图像是不一样的。你肉眼能看到的闪烁星星在天空布局，但用红外、X射线观测又不一样。 通过引力波探测可以了解宇宙过去、现在发生什么。这是了解宇宙的新的窗口与通道。它的意义非常重大。中国应该有一席之地，有自己的引力波探测，也应该有引力波天文台。不管国外是否探测到，我们都要做引力波探测。 未来引力波的探测，中国应该有一席之地，有自己的引力波探测平台，有自己的引力波天文台。不管国外是否探测到，中国科学家都要行动起来。由于“天琴计划”重要且庞大，应该是一个国家计划的科研行为，希望得到国家层面的支持，目前国内已有十多个大学和研究院所参与了“天琴”的工作。 “天琴计划”还是一个国际合作项目，将成为中方牵头的国际合作项目。目前，LISA计划课题组的几位核心成员非常愿意开展合作，德国、意大利、法国的顶尖教授也希望成为合作者或者顾问，俄罗斯莫斯科大学几位教授已经参与合作。 “天琴计划”不为功利，但也可能是最大的功利，将有非常明显的技术创新的引领作用。同时，与国际上顶尖的科学家、顶尖的科研技术部门进行交流，汇聚全世界最尖端最好的技术，改变中国在国际科技界的形象。 LIGO位于美国路易斯安那州利文斯顿市的一处引力波探测器实验室。资料图片_副本.jpg LIGO位于美国路易斯安那州利文斯顿市的一处引力波探测器实验室。资料图片 “天琴计划”有哪些特点? 罗俊：“天琴计划”要1520年研究时间，希望国家有长时间的支持，希望成为国家发改委支持下的重大科技基础设施建设项目，也就是“大科学工程”。如成为大科学工程，“天琴计划”就有了平台建设的第一批投入，建成后每年还有一定数量的运行费。 通常大科学工程是提供对外服务的公共平台，但是天琴是专门的科学工程，有自己独特明确的科学目标。它将是一大批科学家、工程师在这个平台上开展工作，最终目标是上天做引力波探测，不需要对外的共享服务。 “天琴计划”不是以出文章为目标，而是以科学目标作为牵引，要看每年离目标有哪些进步，一年接一年往目标趋近。因此，“天琴计划”大科学工程的考评体系也应该不一样。 “天琴计划”与LIGO有什么不同? 天琴探测低频引力波看到更丰富的天文事件 罗俊：天琴计划的天琴计划引力波探测会有光学辅助手段，确定引力波源在什么地方，通过天文观测已经确定的双星系统，清楚它们的质量、方位、距离、相互之间绕行的轨道频率等。而LIGO是通过他们探测到的引力波信号反演推断存在两个黑洞的合并发生。但是他们没有另外的独立方式进行确认，比如没有光学辅助手段确认，这种方式叫模型依赖。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。 我们的探测重点不同。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。我们是对一个天文已经观测到的双星系统进行观测，把我们的实验设备调到相应的状态，对准它来检测引力波信号，而非短时间的。 LISA原计划发射三颗卫星形成臂长500万公里的等边三角形，在地球后方约0.5亿公里的地方跟随地球绕太阳运行。资料图片 “天琴计划”与LISA计划有什么不同? 天琴的卫星将在以地球为中心的轨道上运行 罗俊：在目前讨论的初步概念中，天琴将像LISA一样，采用三颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列，每颗卫星内部都包含一个或两个极其小心悬浮起来的检验质量。卫星上将安装推力可以精细调节的微牛级推进器，实时调节卫星的运动姿态，使得检验质量始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。这样检验质量将只在引力的作用下运动，而太阳风或太阳光压等细微的非引力扰动将被卫星外壳屏蔽掉。高精度的激光干涉测距技术将被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化，从而获得有关引力波的信息。与LISA或eLISA不同的是，天琴的卫星将在以地球为中心、高度约10万公里的轨道上运行，针对确定的引力波源进行探测。这样的选择能够避免测到引力波信号却无法确定引力波源的问题，而且有望帮助节约大量卫星发射方面成本。天琴的实验技术方案会在未来的研究中进一步优化，以实现其科学价值最大化。 “天琴计划”基础设施如何建设? 罗俊：“天琴计划”综合设施的第一期工程包括3万平方米的天琴综合研究大楼、1万平方米的山洞超静实验室、位于南山山顶的5千平方米教学、科研、科普多功能观测站。 目前珠海市政府已经答应投入约3亿元经费启动“天琴计划”基础建设，主要负责山洞实验室的挖掘、多功能观测站的站址土地平整和上山道路的修建。综合研究大楼、山洞超静实验室的洁净实验室工程、多功能观测站的基建工程以及各种仪器设备还需要另外寻求资金渠道支持。 “天琴计划”行动时间表 预期执行期为xx-2035年 xx2020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; 20212