中国空间引力波探测计划应整合实力联合攻关,

2019-10-10 00:37栏目:生命科学
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香山科学会议召开第649次学术讨论会
专家:中国空间引力波探测计划应整合实力联合攻关
中科院太极计划:到太空寻找引力波

“当前,中国空间引力波探测计划应尽快整合国内实力、开展联合攻关,开展相应的国际合作。”在4月17日-18日举行的香山科学会议第649次学术讨论会上,此次会议执行主席之一、中科院力学研究所研究员、中科院院士胡文瑞在会议报告中呼吁。

本报记者 丁佳 王佳雯 倪思洁

《中国科学报》同时从此次会议上获知,目前正在推进的空间“太极计划”进展顺利,预计2033年发射“太极探测星”,并计划在2025年前后发射关键技术实验双星,验证空间关键技术,其背景型号项目已获科学院“空间科学”战略性先导A科技专项的立项支持。

猴年春节已经过去,但春节期间“刷屏”的科学大事件——引力波,余温尚存。

最好时代已到来

就在前不久,中国科学院首次披露了一项宏伟的科学项目——空间太极计划,预计在2030年前后发射引力波探测卫星组,进行中低频波段引力波的直接探测。

引力波是时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量,类似石头丢进水里产生的波纹。1919年,爱因斯坦在广义相对论中预言了引力波的存在。一个世纪以来,全世界科学家们都试图从实验上观察到引力波。

那么,中科院祭出的这位“太极推手”究竟有何高招?它能否一举将中国推向引力波研究的最前沿?

2016年2月美国LIGO(激光干涉引力波观测站)宣布其两个观测站同时观测到引力波。这是人类首次在实验中直接观测到引力波,成为引力波研究历史上的重大突破,三位科学家因此获得2017年诺贝尔物理学奖。

三星探空 承载中国科研梦

在科学家们看来,当前, LIGO直接观测到引力波为后续研究的可行性提供了最有力的证据。

“引力理论的空间检验蕴含着自然科学的重大突破,中国科技界应在这方面逐步产生重要贡献。” 太极计划首席科学家、中科院院士胡文瑞说。

会议执行主席之一、中科院大学教授、中科院院士吴岳良告诉《中国科学报》:“引力波提供了有别于电磁波的一个全新的观测宇宙的重要窗口,成为人类探索和认识未知世界的新的重要途径和手段。”引力波携带着宇宙起源、演化、形成和宇宙结构的原初信息,使人类可通过引力波探测到基于电磁波天文望远镜所观测不到的宇观尺度和天体源,例如宇宙的黑暗时期、暗宇宙和黑洞等。

虽然是刚刚向公众揭开神秘面纱,但太极计划的酝酿和前瞻布局,其实早在引力波被发现数年前就开始了。

无疑,引力波研究的最好时代已经到来。

2008年由中科院发起,中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与,成立了中科院空间引力波探测论证组,开始规划我国空间引力波探测在未来数十年内的发展路线图。

中科院率先布局

2012年中科院空间引力波探测工作组成立,经过几年的努力,目前已形成了一支以中科院科研人员为主的空间太极计划工作组。已有来自科研机构和大学的十多个单位参与到空间太极计划中。胡文瑞坦言,中科院做这件事的初衷,就是“要搞前沿、创新的科学研究”。

作为科研“国家队”,中科院在国内率先布局引力波相关研究。

随后,在中科院先导科技专项空间科学预先研究项目连续三期的资助下,工作组组织了各种学术交流活动,在引力波源的理论及探测研究和卫星技术研究上取得了诸多进展。目前,空间引力波探测已列入中科院空间2050年规划。

2008年3月,原中国科学院基础局启动了引力波领域前沿科学问题的部署,中科院空间引力波探测论证组成立。“考虑到引力波和微重力密不可分,有关引力波的前期研究被安排在力学研究所国家微重力实验室开展。”胡文瑞告诉《中国科学报》。和胡文瑞同时加入论证组以中科院的专家为主,也吸纳了来自华中科技大学、东方红卫星公司等单位的专家。

对于科学家来说,这是一个令人兴奋的大计划。太极计划将发射由位于等边三角形顶端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探测。它的主要科学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。

2010年5月,胡文瑞等专家在前期工作基础上,形成一份《国家重大科技基础设施中长期重点建设项目建议》,这成为全国首个空间引力波观测的建议。这份建议书极具前瞻性,内容与当前正在开展的“太极计划”相差无几。“除了卫星编队的距离当时提的是50万公里,别的参数都差不多。”胡文瑞表示。

太极计划的卫星将采用无拖曳技术,星组中卫星间距300万公里,激光功率约2瓦,望远镜口径约0.5米,加速度噪音、测距精度等技术指标总体上优于欧洲空间局LISA计划的要求,而频率范围覆盖了LISA的低频和日本DECIGO计划的中频。

同一时期,欧空局1993年启动的空间引力波探测“LISA计划”由于美国NASA的退出,不得不将该计划简化为“eLISA”计划,并寻找新的合作伙伴。

除了直接剑指引力波外,太极计划所涉及的学科领域之广、前端技术之多,简直令人咋舌。它涵盖了物理学、天文学、宇宙学、天体物理、空间科学、光学,以及精密测量、航天技术、导航与制导、飞行器与轨道设计等学科,需要突破空间超远距离超高精度激光测量、超高灵敏度惯性传感器,以及超高精度卫星无拖曳控制等下一代高端空间技术。这个宏伟计划的设计和实施再次体现了中科院做为科技国家队的综合实力。

2011年,在首次eLISA联盟会议上,我国科学家提出了中国空间引力波探测计划,并从技术和科学目标考虑,优先选择间距为三百万公里的正三角形卫星编队,以太阳为中心落后或超前地球约二十度进行绕转。经多轮协商,中方提出以贡献20%仪器设备的条件参加eLISA或者独立研发三星组两个方案。

在胡文瑞看来,这些技术对于提升我国空间科学和深空探测的技术水平具有重要意义,对惯性导航、地球科学、高精度卫星平台建设等应用领域也将发挥积极的作用。

“太极计划”进展顺利

太空:更大的舞台

2012年后,中科院空间引力波探测工作组在先导科技专项空间科学预先研究项目两期的资助下,在引力波源的理论及探测研究和卫星技术研究上取得了诸多进展。

此次发现引力波的美国LIGO(激光干涉引力波观测站)是基于地面的观测系统,多年来经过不断升级,灵敏度大大提高,最终第一次捕捉到了引力波信号。

2016年,中科院启动了战略性先导科技专项“引力波的多波段测量”,其中包括了空间引力波计划。空间“太极计划”也相继走进大众视野,计划采用高精度星间激光干涉测距技术和无拖曳航天技术,瞄准中低频段引力波进行探测和研究,由胡文瑞和吴岳良担任该计划首席科学家。

“然而,基于地面的引力波探测实验装置,受空间距离的限制和地球重力梯度噪声的影响,无法探测低于10Hz的引力波,研究目标较为有限。” 太极计划首席科学家、中科院大学副校长、中科院院士吴岳良说,“因此,多国科学家都在加紧开展空间引力波探测的研究计划。”

此次会议上,吴岳良介绍,“太极计划”正在实施背景型号地面研究、双星试验性及发射太极三星的三步走战略。“预计在2020年底完成第一步走,2021年至2025年间以‘太极探测星’项目完成关键技术空间验证,2025年至2033年开展第三步走,实现三星探测计划。”他说。

在中国,太极计划和另一项由中山大学发起的天琴计划都在此列,但二者的科学目标和探测手段却各不相同。

目前,“太极计划”已初步掌握了超稳干涉仪、高精度相位计、高精度角位移敏感器、低噪探测器和超稳望远镜等关键核心技术及制作。

“太极计划主要是用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测,以观测双黑洞并和和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射,及其它的宇宙引力波辐射过程。太极计划的卫星组处于太阳同步轨道。研究表明,这个轨道上的卫星组在相距300~500万千米时,探测到的引力波是一个具有独特波段的引力波,是其它实验所不能观测的波段,可帮助我们理解中等和大质量黑洞的结构和形成以及它们如何成长为超大黑洞的过程,因通常认为星系的中心是一个中等和大质量的黑洞。高精度的实验还可测量对爱因斯坦广义相对论的修正,探测超越爱因斯坦广义相对论的量子引力理论。另外,结合微波背景辐射的测量,引力波成为探测早期宇宙的重要手段,这个波段的引力波研究可对应于TeV能量标度的早期宇宙,正好接近于目前大型对撞机所能达到的能量,是一个对新物理现象敏感的能量标度。”吴岳良说。

此外,在国内,中山大学于2015年提出空间低频引力波探测的“天琴计划”。目前公开资料显示,该计划将实施三颗卫星编队绕地球轨道的方案。对此,专家认为,由于轨道噪声、温度变化、太阳阴影、 科学测量时间不连续选择地球轨道方案风险较大,太阳轨道应是优先选择的方案。

相比之下,天琴计划发射的三颗卫星在以地球为中心,在高度约10万公里的轨道上运行,构成一个等边三角形阵列,对一个周期为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。

通过为期两天的讨论,与会专家认为,为保证我国引力波探测和引力波天文学研究工作持续有效地推进,应加强统筹谋划部署,做好顶层设计和战略布局。同时,应充分利用中科院在引力波理论、技术及工程方面的深厚基础,成立引力波探测国际顾问委员会,推进国内外协作联盟。

美国麻省理工学院物理学院研究员苏萌也看好空间探测的优势。“空间卫星探测一方面可以实现全天区的观测,另一方面可以实现更宽频段的观测”。

“当前,在学术与技术竞争严酷的环境中,中国空间引力波探测计划均为预研性计划,应尽快从国家层面整合实力、协调各方的优势力量联合攻关。”胡文瑞强调,“中国科技界有决心在引力波的空间检验方面作出重大贡献。”

苏萌告诉《中国科学报》记者,空间探测理论上可能能够看到两种黑洞的并和过程。具体来说,一种是两个质量差不多的黑洞并和,以及后期演化的宇宙学,也就是观测黑洞后期是如何成长;另外一种则是一个大质量黑洞旁边有恒星级黑洞掉进去的天体变化过程。

附:香山科学会议小结

集合了国内相关研究的积累以及与国外合作的经验,国内空间探测所看到的天体物理起源与地面探测将完全不同,苏萌也对空间探测能够发现的信息表示出了兴趣。在他看来,空间探测有可能给基础物理学带来重大突破。“对广义相对论的检验,对天体物理过程,比如银河系内或者说从高红移到中红移中间黑洞的演化等,都有可能实现突破。”

中国的,世界的

空间引力波探测和研究需要许多先进技术。如在空间激光干涉仪方面需要稳频和锁相的大功率激光器和激光干涉系统;需要用无拖曵技术控制的高精度光学平台;需要测量超低重力水平的惯性传感器;需要控制各种噪声以分辨出引力波引起的微小距离的变化;以及需要与实验设备一体化的卫星研制。

“我国目前的技术能力与国际先进水平还有一定的差距,这种差距可以通过良好的国际合作得到一定的弥补。”吴岳良说,“目前太极计划工作组与国际同行已建立了广泛的联系。”

因此,太极计划将是一项中欧双方参与的国际合作计划。

胡文瑞告诉《中国科学报》记者,太极计划目前开展两个方案的研究。方案之一是参加欧空局的eLISA双边合作计划,今年秋天将召开第三次双方科学家会议,完成双边合作的可行性报告,然后各自向主管部门呈报,由双方主管部门审批后执行。

方案之二是发射一组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,进行低频引力波探测,这一方案拟于2033年前后发射,实现我国大型先进科学卫星计划的突破,届时中国与欧洲将同时在空间独立进行引力波探测,互相补充和检验测量结果。

胡文瑞告诉记者,按照欧空局规定,所有重大的项目的参与方需要投入20%。第一个方案中,欧空局投入经费为10亿欧元,所以中方需要出资2亿欧元。第二个方案中,又有两个规划,一个规划是中欧双方各出资10亿欧元,形成两组独立的卫星组,各采用两路激光干涉。另一规划是中国发射的三颗卫星组,采用双向激光干涉,共六路激光干涉,可直接相互检验测量结果。

“大科学工程的基础科学研究必须开展国际合作,我们参与欧空局的项目,不仅可以学习到他们三十年来积累的经验和技术,同时,我们也希望能够组建自己的卫星组,对测量结果能够相互进行验证。” 吴岳良告诉记者。

在探测引力波的卫星计划方面,欧洲已经开展了近30年的研究。1993年,欧空局首先提出激光干涉空间天线计划,进行空间引力波测量。在最初的设计中,该天线阵列由在太阳轨道上的三个探测器组成,三个探测器之间的距离500万千米,采用双向激光干涉,共六路激光干涉。后来受经费的限制,修改了方案,三个探测器之间采用两路激光干涉,同时该计划更名为eLISA,已被欧空局正式列入L3计划。2015年底,欧空局发射了关键技术验证卫星LISA探路者(LISA-Pathfinder)。

空间太极计划工作组每年组织其成员参加eLISA项目召开的年会,进行交流探讨。另外,空间太极计划工作组已与eLISA 项目的主要牵头单位德国马普学会引力物理研究所和爱因斯坦研究所组织召开了两次双边会议,并形成了双方合作的备忘录。事实上,空间太极计划部分仪器设备的研制水平和技术已基本达到eLISA项目的要求。

“我们现在要加快步伐了。”胡文瑞说,最终采取哪个方案,将取决于国家的决心和投入,但无论是哪种方案,最终都将与欧空局合作,强强联合开展引力波探测研究。中国科学家有能力在探索未知世界的奥秘中展现我们的智慧和才华。

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