引力波探测，中国也有大动作

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引力波探测，中国也有大动作

2月16日，中国科学家公布了一项新的空间探测引力波计划——“太极”。
) i+ D4 W; I7 a$ @  x. |" [3 X中国科学院院士、太极计划首席科学家胡文瑞透露，太极计划的设想之一是在2030年前后发射三颗卫星组成的引力波探测星组，用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测，目标是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。
* g# V. [9 m4 R3 h据悉，太极计划是一个中欧合作的国际合作计划，目前有两个方案。方案一是参加欧洲空间局的 eLISA 双边合作计划。方案二是发射三颗中国的引力波探测卫星组,与 2035 年左右发射的eLISA卫星组同时邀游太空，独立进行引力波探测，两组卫星互相补充和检验测量结果。
! W, x. o7 X- |) J9 W7 R' t! }! P这一计划缘何起名“太极”？胡文瑞解释道：按照中国的宇宙观，万物开始是“太极”，探测原初引力波就是研究宇宙的起源，而太极的图形与双黑洞形象很相似。
“如果说引力波是一场宇宙交响曲，那么美国LIGO（激光干涉引力波天文台）的成果只是一个序曲，但主乐章在空间探测领域，将解答更多重大学术问题。”胡文瑞说。
随着人类在2016年初宣布首次直接探测到引力波，取得科学上的重大突破，中国科学家一系列与引力波探测相关的计划也浮出水面，备受关注。或登世界屋脊，或入巨型天坑，或上太空……这些不同手段的探测将讲述宇宙不同的故事。
在世界屋脊捕捉宇宙的“初啼”中国科学家计划在海拔5000多米的西藏阿里，捕捉宇宙诞生的“初啼”。
1 W: M' M  F, x2 K  ?宇宙暴胀理论认为，在大爆炸发生后的极短一瞬间，宇宙经历了一场快速膨胀，时空产生了剧烈扰动。这“暴胀”过程中产生的“原初引力波”就会在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下可探测的印迹。寻找原初引力波，就是要在这一微波背景辐射找到引力波的独特印记。
2 Q6 q% C; m& _2 b# k5 t5 n美国科学家2014年在南极的BICEP实验一度认为发现了原初引力波，结果发现，他们错将银河系中星际尘埃造成的干扰当成了宇宙的“初啼”。然而这一结果更激发了原初引力波探测的新高潮。
9 \3 A) C9 C" _2014年5月，中科院高能物理所研究员张新民带领团队提出在西藏阿里开展CMB实验研究。他介绍，原初引力波太微弱，所以要选干扰尽可能少的区域。大气越稀薄、水汽含量越少，才越有希望看清原初引力波留下的痕迹。目前，根据大气透射率，科学家在全球共选出了4个最佳观测点，南半球是南极和智利阿塔卡马沙漠，北半球在格陵兰岛和中国西藏阿里。阿里有望成为北半球天区第一个地面观测点，与南半球实现联合观测。
# l- a# @' O. ?1 A中科院高能所副研究员李虹说，阿里望远镜与位于南极的BICEP望远镜原理类似，但精度更高，中美将合作研制。如果现在就开始积极研发，预计3至5年内能建成并投入使用。
+ \3 C8 H0 J  ~8 f  i6 Z美国麻省理工学院物理系研究员、哈佛史密森天体物理研究中心研究者苏萌说，美国哈佛大学、斯坦福大学、芝加哥大学、明尼苏达大学等同行，都对阿里台址很感兴趣，希望开展合作。中国多家单位与美国能源部下属的国家实验室签署了合作备忘录。
9 R: F% M1 S- u, @“人类能否用已掌握的物理学规律去理解宇宙的诞生？到底宇宙是否发生过急剧的暴胀过程？这是研究原初引力波独特的科学目标，是其他引力波探测手段都无法解答的。”苏萌说。
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中国西藏阿里是地球上原初引力波最佳观测点之一。 图片来源：ally.gov.cn
$ o- u& p$ C, T/ z0 K" z用地球上的最大“耳朵”聆听天籁之音中国西南贵州，在形成于4500万年前的巨型天坑中，科学家与工程师们正在建造面积相当于30个足球场的世界最大单口径射电望远镜。它像一只庞大而灵敏的“耳朵”，将捕捉来自遥远星尘最细微的“声音”，洞察隐藏在宇宙深处的秘密。
3 O+ U. O# o3 y“大耳朵”正式的名字是：500米口径球面射电望远镜。科学家将它的英文名Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope缩写为FAST。这项中国有史以来最大天文工程，总投资将超过11亿，2011年3月动工，预计2016年9月竣工。
* ~5 Q% ]5 S8 m2 [0 J6 w建成后，这座射电望远镜在未来20至30年将保持世界一流地位。与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比，FAST灵敏度将提高约10倍；与被评为人类20世纪10大工程之首的美国Arecibo300米望远镜相比，其综合性能提高约10倍。
中科院国家天文台射电部首席科学家李菂说，FAST的一个重要目标是利用脉冲星探测引力波。引力波会使脉冲到达时间发生变化。如果能观测到全天的脉冲星或者某一方向上的多个脉冲星周期发生变化，就能探测到引力波。
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, K8 C5 Y3 Z6 A2 u' Q1974年，首颗脉冲双星将引力波发现向前推进了一步。 图片来源：NASA
李菂说，实际上科学家对脉冲双星绕转轨道的观测间接证明引力波的存在，已经在1993年获得了诺贝尔奖。“FAST跟这一类观测非常接近，针对的是超大质量黑洞。超大质量黑洞之间一般距离很远，周围有大量的重子物质和吸积过程，会伴随着各种明确、强烈的电磁信号，这样就可以做更多的天体物理研究，例如是什么样的黑洞，是什么样的轨道，吸积多少物质等。” “LIGO的实验打开了一个观测宇宙的新窗口，也使我们对于FAST获取更丰富的天体物理信息，推动物理前沿发展，更有信心。”李菂说。

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世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜（FAST）反射面面板安装施工现场  新华社记者 欧东衢 摄
谁将拨动天空的琴弦此前，中山大学提出过另一项空间探测引力波计划，并起了一个诗意的名字“天琴计划”。
+ s. R2 {8 X7 r9 C$ y0 R4 b/ q* @该计划提出者，中山大学校长、中科院院士罗俊介绍，天琴计划为四个阶段：一是完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等地面辅助设施，完成中国自己的月地测距，同时检验牛顿万有引力常数的变化；二是发射一颗卫星，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；三是发射两颗卫星，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；四是完成所有空间引力波探测所需的关键技术，发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。
与天琴计划类似的是欧洲LISA计划，后者拟将卫星发送至太阳的行星轨道，而“天琴”拟将卫星发送至地球的卫星轨道。“与LISA相比，天琴计划中卫星发射和数据通讯难度都会降低很多。”天琴计划项目直接负责人、中山大学天文与空间科学研究院院长李淼说。
“我们现在要做的事是带有竞争性质的。我们想要跟LISA竞争，他们是计划在2034年左右收集数据，我们也是在这个时间前后。如果我们做得好，15年内能做上去的话，就会比他们快。”罗俊说。
目前，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。已经启动山洞超静实验室和激光测距地面台站基础设施建设，部分技术研究已有具体进展。
, P4 s8 K- w1 I6 U5 o多种方法弹奏宇宙交响曲引力波探测为什么需要这么多不同的手段？
美国麻省理工学院物理系研究员苏萌说：“如果说400年前当伽里略第一次将亲手制作的望远镜指向夜空的时候，人类开始用眼睛欣赏宇宙的瑰美，那么今天，我们学会了聆听宇宙的第一个音符。在不远的将来，蓬勃发展的引力波探测装置，即将呈现给人们的将是宇宙美妙的交响乐章。”
他介绍，引力波的频率很宽，就好像交响乐中分低音、中音、中高音和高音。针对不同频率，科学家采取了不同的探测手段，科学目标也不尽相同。

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宇宙交响乐  图片来源：贺萌绘图
宇宙乐章的低音
% H' q9 L, h& Q% B7 j; B探测目标：原初引力波
" Z, {9 ?  q; e* Q  p  t引力波频率：最低
' N; F: ~5 Q" j1 v解码：它的波长跟整个宇宙的尺度差不多大，所以只能通过对宇宙大爆炸后遗留的光子场信号，即宇宙微波背景辐射，来寻找它。
2014年3月，美国哈佛史密森天体物理中心宣称在南极观测到了原初引力波，但随后又发现出错了。要从杂乱无章的各种引力波中辨认出带有宇宙大爆炸初期引力波留下的独特标记，的确太困难，需要不断发展灵敏度更高的实验来找寻。
探测计划：南极BICEP2、西藏阿里观测项目
宇宙乐章的中音
探测目标：超大质量黑洞并合时发出的引力波
3 y: l$ a2 V+ S6 @. V' W引力波频率：在百万分之一到亿分之一赫兹
解码：这种事件往往发生在星系与星系相撞的后期，星系中心数百万到数亿太阳质量的巨大黑洞在最后阶段的撞击并合发出浩瀚的引力波信号，可是人类能建造的探测器太小了，哪怕把整个太阳系都当成探测器都无法测量。于是科学家想出一个绝妙的方法：利用校准后的毫秒脉冲星。这种自然界天然的时钟精度可以达到原子钟的级别，若干这样精确校准的毫秒脉冲星在宇宙中排成校准源的一个庞大阵列，天文学家利用地面上的大型地面射电望远镜作为探测器监视着宇宙中可能经过的时空涟漪。
探测计划：FAST、SKA等
宇宙乐章的中高音
探测目标：质量更小一些相互距离更近一些的大质量黑洞(几万到几百万太阳质量)并合过程的后期、中子星碰撞、超新星爆炸、银河系内的白矮双星系统等
引力波频率：十万分之一到一赫兹
5 b6 t1 V; L( u3 W解码：这类引力波信号探测的手段也是蛮拼的：发射数颗卫星，在太空形成阵列。著名的LISA(光学干涉空间阵列)作为欧洲空间局批准的大型空间实验卫星项目，将为实现这个目标再努力约20年，计划2035年左右开始收集数据。其首颗技术验证星LISA pathfinder去年年底刚刚由欧洲空间局送上太空。
探测计划：LISA、太极、天琴等
  ]0 L# _3 W; m6 J2 n$ ~! V! N7 b: L( z宇宙乐章的高音
探测目标：中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统
  F* Y- K5 i5 i: C2 p$ n  c1 b3 \6 n. |引力波频率：几十到几千赫兹
解码：这就是人类第一次直接探测到的引力波信号，探测手段是地面数公里的激光干涉装置。
3 T/ m% o: B% f8 B  [$ R/ |探测计划：LIGO,VIRGO, GEO 600, KaGRA, LIGO-India等
中国有必要开展引力波探测吗？寻找引力波经过了几代科学家数十年苦苦追寻。首次探测到引力波的“激光干涉引力波天文台”（LIGO）40年不断更新，耗资约7亿美元。
那么多年花了那么多钱一直没有发现，科学家们有压力吗？
" D) p7 k6 a# v/ H# N参与了此次引力波探测的德国马克斯-普朗克引力物理研究所、清华大学博士后胡一鸣讲了一个小故事：
- K2 L$ x) @5 X! z' b  J, ]( L马克斯-普朗克引力所所长曾经说，他常常在夜里想：“我们花了纳税人这么多钱做科研，但是我们还是一无所获，我怎么还可以安安稳稳地‘老婆孩子热炕头’呢？我应该待在监狱里啊！”
“当然，现在探测到引力波了，他就不再那么煎熬了。”胡一鸣说。
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引力波探测，中国也有大动作

2月11日，在美国首都华盛顿举行的新闻发布会上，美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）执行主任戴维·赖茨宣布科学家们已经探测到引力波。图片来源：新华社/法新
  C/ o* H, ]8 K) R$ \0 i3 o0 H他说，LIGO的探测离不开材料、镀膜、隔震、激光、真空，超级计算机、数据分析等各方面研究人员的努力，其中中国科学家也做出了许多贡献。
“引力波是一个有着巨大潜力的学科，这一次的探测并不是终点，很有可能带来一批诺贝尔奖级别的发现。”胡一鸣说。
中国是全球第二大经济体。伴随经济高速增长，近年来，中国的科技创新水平也取得了长足进步，探月工程、高铁、大飞机等都是中国科技发展的标志。中国科研投入虽然不菲，但整体上还是偏重应用，对于发现引力波之类的基础研究投入相对不足。探测引力波项目等动辄需要投入几十亿甚至上百亿资金的重大基础研究项目，在中国还十分少见。
; w1 J% [, V& g' K" ~3 q3 E* K中科院高能物理研究所所长王贻芳认为，这次发现引力波，中国科学家虽有少量参与，但与中国对科研的投入并不匹配。
: L8 {8 j- U' ^+ }2 H  H4 n" W5 H8 M, k王贻芳说，未来30年是中国科技发展的关键期，要从追赶成为国际领先，至少在部分领域需要发起一批标志性的科学工程，有一批重大科学成果，同时不缺席国际上的其他重大科学项目，共享其重大科学成果。
中科院院士、中国科学院大学副校长吴岳良说：“引力波探测打开了一个观测宇宙的新窗口，我们必须要掌握这个技术。中国需要建立机制对基础研究长期投入和稳定支持。”
“虽然我已经80岁了，也许不能看到卫星的发射。但我希望通过‘太极’这一计划，使中国成为国际上空间引力波研究重要基地之一。以基础科学研究为牵引,中国在空间科学研究、高端空间技术和科学卫星的整体水平上将会有一个质的飞跃。”胡文瑞说。
本文由中国特稿社发稿