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幸运28:引力波探测的“中国足印”

引力波探测的“中国足印”

中国“空间太极计划”首席科学家、中科院院士胡文瑞(左)、吴岳良。

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空间太极计划标识

  从上世纪70年代的自主研发引力波探测器,到如今的“天琴计划”、“阿里实验计划”、“空间太极计划”,中国科学家在“捕捉”引力波、探索宇宙初创奥秘的征程中一直在奋起直追。

  中国探索脚步艰辛

  1969年,美国马里兰州立大学的约瑟夫·韦伯宣称,他已探测到不排除为引力波的信号,引起物理学界极大关注。

  虽然当时条件艰苦,但是在这个世界顶级难题的漫长求索中,中国科学家从未放弃过自己的努力。上世纪70年代初,中山大学物理系教授陈嘉言等科学家决定白手起家,寻找引力波。没有实验室,他们就借来一间不足30平方米的、潮湿而不通风的地下室。清理房子,刷石灰,装电灯,搬石块,查文献,借仪器……1976年,他们装起了引力波天线模拟系统,并取得第一批实验数据。

  同年,国家科委和教育部把这项研究定为国家重点研究项目,批准建筑专用实验室。但是基建工程、建筑材料、承建队伍都得自己联系。为此,科学家们自己清洗小房间大大小小的钢制真空罐、自己去切割搬运数十米长的钢轨。终于在上世纪80年代初,他们用简单的、最原始的棒状天线,研发出达到同类型里世界级水平的引力波检测器。

  遗憾的是,1982年,陈嘉言不幸在真空罐中触电殉职。此后,由于人才队伍接续等问题,中国的引力波研究停滞了许多年。直到2008年,在中国科学院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下,空间引力波探测工作组成立,引力波的中国研究才再启征程。

  另辟蹊径追赶世界

  一般来说,针对不同频率的引力波信号源,探测的方式也会有所不同。主要有四种情况:

  第一种是超大质量黑洞并合时发出的引力波,对应的频率在百万分之一到一万分之一赫兹。科学家可用若干精确校准后的毫秒脉冲星幸运28在宇宙中排成校准源阵列,利用地面的大型射电望远镜来寻找引力波。

  第二种频率为十万分之一到一赫兹,对应的信号源通常为质量更小一些的大质量黑洞并合过程的后期,可通过空间卫星阵列来探测。例如欧洲空间局的空间激光干涉引力波探测项目。

  第三种是这次宣布探测到的几十到几千赫兹的高频段引力波,其信号源是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统并合过程,探测手段是地面数公里的激光干涉装置。

  第四种是“原初”引力波,它是宇宙大爆炸时宇宙时空剧烈的暴胀过程中产生的信号,需要对宇宙微波背景辐射进行观测。

  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”,去太空捕捉引力波;二是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”,目标是在地面探测“原初”引力波。

  “天琴计划”将开展空间引力波探测计划任务的预先研究,制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,并开展关键技术研究。整个计划大约需要20年,投资大约150亿元。

  该计划主要分四个阶段。第一阶段是完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等“天琴计划”地面辅助设施。第二阶段是完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证,以及空间等效原理实验检验。第三阶段是完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证,以及全球重力场测量。第四阶段是完成所有空间引力波探测所需的关键技术,发射3颗地球高轨卫星进行引力波探测。

  “阿里实验计划”则拟在位于我国阿里地区狮泉河镇以南约20公里处、海拔5100米的山脊上建立引力波观测站。该计划负责人、中科院高能所研究员张新民解释称,这里海拔高、云量少、水汽低、透明度高,同时具备望远镜建设与运行基础的台址,提供了北半球最好的观测台址,将用于探测极早期宇宙“暴涨”过程、寻找宇宙“原初”引力波。他预计,首批成果可望约5年内“出炉”。

  而就在LSC宣布探测到引力波不久,2月17日,中科院宣布了经8年酝酿的“空间太极计划”。首席科学家胡文瑞表示,中国将在2030年前后发射3颗卫星(目前尚不得知其是否就是“天琴计划”第四阶段将发射的3颗卫星),观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射,以及其它的宇宙引力波辐射过程。

  除了专门的引力波计划,结合我国国情,我国在探测引力波上并没有像美国一样建设激光干涉仪这样的直接探测引力波设备,而是投入到射电望远镜中,以找到射电天文学与引力波监测的结合点。

  (原载于《人民日报海外版》 2016-02-19 07版)