中國的“天琴計畫”─空間引力波探測

引力波探測，中國沒有缺位  (2018年04月17日- 科技日報)

近日央視首次揭秘了我國引力波探測計畫，這一神秘研究再度走入國人視線。

談到引力波，很多人的問題從“引力波是什麼”，變成了“諾獎已被國外摘得，我們為什麼還要探測引力波？”

 “發現引力波只是開始，引力波研究還有一大波‘諾獎’在等著被摘取。”科技日報記者近日在我國目前唯一的引力實驗研究基地——華中科技大學引力中心，見到了我國著名“引力院士”羅俊。

今年是“引力中心”值得紀念的一年，它已走過35年歷程，被國際同行贊為“世界引力中心”。與“引力中心”共同走過的羅俊說，在這一國際大科學領域，幸好中國沒有缺位。

推開不同的窗，看到不同的風景

華中科技大學引力中心主任塗良成介紹說：“LIGO探測高頻段引力波，我們探測低頻段引力波，LIGO探測的是短時間的引力波，我們探測的是連續的引力波，可以持續驗證。我們是對一個天文已經觀測到的雙星系統進行觀測，把我們的實驗設備調到相應的狀態，對準它來檢測引力波信號，而非短時間的。”

低頻與高頻的區別就是大家看到宇宙不同的物理現象和物理進程。不同的頻段是不同的視窗，不同的頻段沒有先進落後之分，就如同你推開不同的窗看到不同的風景，不同頻段的引力波探測將看到不同的天文事件。

低頻引力波反映出來的東西更多元更豐富。高頻引力波則大多是宇宙中更極端的事件，需要大品質的天體非常劇烈運動才能產生，通常只有中子星或黑洞等天體相撞。然而，宇宙中更多的天文事件不是這種極端事件，往往是兩個星相隔較遠繞行，持續長時間運動。

 “這個頻段有很多宇宙演化過程，有豐富的物理、天文學現象。”羅俊坦言，當初選擇這一頻段，也是經過了細緻的考慮。

引力波研究比肩美國“阿波羅探月計畫”

2013年，羅俊和團隊探討並提出“天琴計畫”時，全球科學家仍未探測到引力波；而LIGO團隊確定了引力波的存在，“天琴計畫”意義就更加重大。

 “這個領域有一大波‘諾獎’，但我們不是為拿獎才去研究它。”羅俊說，這項基礎研究會帶來一系列關鍵技術突破，如精確測量地球重力，使我們更加深刻地瞭解地球水資源、礦產資源的分佈與變化。

羅俊說，引力波研究可比肩美國“阿波羅探月計畫”，是太空、外太空研究的制高點，中國必須有一席之地。

 “天琴計畫”是由三顆全同衛星組成一個等邊三角形陣列，天琴的衛星將在以地球為中心、高度約10萬公里的軌道上運行。“天琴計畫”一直在邊建設邊積累，已經做了20多年的技術儲備。正因有幾十年的積澱，在談到歐洲類似的空間引力波探測項目LISA將於2034年升空時，羅俊說：“我們很有可能會走在他們前面。”

雖然有信心，但羅俊仍希望國內相關研究推進力度能再大些。“天琴計畫”龐大，要15至20年研究時間，國內已有十多個大學和研究院所參與。羅俊說，應該把它上升為一個國家計畫的科研行為，應該得到國家層面的支援。今年3月底，天琴空間引力波探測科學目標研討會在珠海召開，項目組不同課題的負責人介紹了最新研究進展。相比此前的引力波探測研究遇到的種種困難，羅俊認為，“天琴計畫”還需要很多方面的技術和人才，包括物理、材料、光學、航空航太、自動控制、機械、精密測量等等。

國家對基礎研究的重視程度與投入前所未有，而且做“天琴計畫”是一群科學家的興趣，如果能列入國家大科學工程，就可以把科學家的興趣和國家的需要很好地結合起來。羅俊說，德國、義大利、法國的頂尖教授也希望能參與其中。“天琴計畫”將成為中方主導的國際合作項目，集聚全世界最優秀的科學家朝著同一個目標努力。

2018年05月07日報導：

中山大學物理與天文學院於2015年9月16日正式成立，落戶珠海校區，成為中山大學“雙一流”建設和理科學科群的重要組成部分。在學科建設方面，物理與天文學院與廣州校區物理學院錯位發展、優勢互補，進一步夯實了物理學一級學科的基礎地位，明晰了包括引力物理、空間科學與技術、精密測量物理、原子分子物理、量子資訊、量子通訊與量子計算等主要研究方向，組建了一批年輕有為、蓬勃向上的研究團隊。「天琴引力物理研究中心」勇立潮頭，已經在“天琴計畫”地面綜合設施建設和引力波的空間探測相關領域開展了卓有成效的工作。學院在天文學和宇宙學方向師資力量雄厚，擁有2名國家傑出青年基金獲得者和12名中山大學“百人計畫”人才，正在積極複辦天文學科，已經申請設立天文學專業（教育部已經公示）和天文學一級學科碩士學位授權點（教育部已經公示）。

通過中山大學“三大”建設和學科建設專案的支援，以及加強外部競爭經費的申請，學院正在加速推進物理學與天文學兩大一級學科建設步伐。培養適合在物理學、天文學和空間科學技術及相關交叉學科進行科研，以及在尖端技術領域工作的拔尖人才，由具有豐富科研經驗的教授主講。在學校的大力支持下，學院已經吸引了很多國內外優秀專家學者加盟，師資力量迅速壯大。目前學院已組建 “天琴計畫綜合研究設施”大科研平臺和四個平臺內團隊（地月系統物理實驗、精密光學測量與遙感、衛星平臺與控制技術、引力物理與實驗分析），以及一個平臺外團隊——“宇宙學與多尺度天文天體物理過程的研究”。

學科建設主線，積極建設大科研平臺，包括：“天琴計畫”國家大科學工程、天琴計畫教育部重點實驗室、大精密測量重點實驗室、計算天體物理重點實驗室、中山大學天文臺（包括6.5米光學天文望遠鏡）等。建立以平臺建設吸引人才，以才引才，再依靠人才做大平臺的良性迴圈，爭取在學科評估排名、ESI學科排名、教學成果獎、科技成果獎等方面取得優異成績。

對於“國家”首先想到，學院將面向國家需求，建設“天琴計畫”國家級大科學工程、大精密測量物理實驗室和6.5米光學天文望遠鏡，在空間天文應用和量子應用領域為強國戰略做好扎實的科學技術儲備，在國家有需求的時候，能夠想起物理與天文學院，把重要任務交給學院；對於“國際”同行首先想到，學院將鼓勵師生多出成果，出好成果，鼓勵師生積極進行國際學術交流，與國際一流科研機構一起合作，有了世界一流的學術成果，才能真正體現物理與天文學院教授的學術水準和學術地位。

作為理工科專業出身的校長-羅俊，在談起天琴計畫等重大科研專案時如數家珍。中山大學的物理與天文學院希望達到如下目標：到2024年建校100周年時，學院的物理學和天文學一級學科在國內排名進入第一方陣；到2035年，物理學和天文學一級學科整體達到世界一流水準，在公認的世界大學學科評價體系中居於前50位；到2050年，物理學和天文學一級學科排名進入世界前20名，學院成為世界一流理科學院。

中國的“天琴計畫”

天琴計畫是中山大學發起的一個科研計畫，中山大學正在組建研究小組開展我國空間引力波探測計畫任務的預先研究，制定我國空間引力波探測計畫的實施方案和路線圖，提出“天琴”空間引力波探測計畫 ，並開展關鍵技術研究。  

引力波研究計畫用20年時間，完成總投資約為150億元的“天琴計畫”。目前，中山大學珠海校區正在建設引力波研究所需的地面基礎設施，已經啟動山洞超靜實驗室和鐳射測距地面台站基礎設施建設。 

“天琴計畫”已經於2015年7月份正式啟動，部分關鍵技術研究已有具體進展，正在立項中。

2016年2月21日，中山大學舉行推進實施“天琴計畫”研討會，並發佈其實施路線圖“0123計畫”，該計畫將用15年—20年的時間發射衛星上天。

引力波是加速中的品質在時空中所產生的波動，也被比喻為時空的“漣漪”。 

根據愛因斯坦的相對論，宇宙中巨大的天體運動會讓時空發生扭曲並像波浪一樣傳播，這就是引力波。2016年，多國科學家首次探測到了引力波。

2018年4月，中國的引力波探測計畫在積極實施，引力波探測“天琴”計畫的關鍵人物是羅俊院士。在湖北武漢，華中科技大學的喻家山底下的防空洞裏，羅俊院士和他的團隊正在研發引力波探測裝置。

中山大學珠海校區將建設“天琴計畫”所需的地面研究基礎設施，並以此為基地開展面向國家重大需求和科學基礎前沿的國家大科學工程項目。其中山洞超靜實驗室和鐳射測距地面台站基礎設施建設已經啟動，部分關鍵技術研究也已經有具體進展。天琴計畫的推動將使中山大學將成為國際上引力波探測與空間精密測量領域的學術研究重鎮之一，並成為推動後續一系列空間精密測量物理實驗的研究基地。

據介紹，“天琴計畫”實驗本身將由三顆全同衛星(SC1，SC2，SC3)組成一個等邊三角形陣列，衛星本身作高精度無拖曳控制以抑制太陽風、太陽光壓等外部干擾，衛星之間以鐳射精確測量由引力波造成的距離變化。“天琴”的重要探測物件是一個週期僅有5.4分鐘的超緊湊雙白矮星系統RXJ0806.3+1527產生的引力波。

“天琴”首先要求三顆衛星非常精確地進入一個預先選定的軌道。為了穩步實現目標，根據每項任務需要的衛星數目，制定了“0123”計畫路線圖，天琴計畫將首先發展月球和深空衛星鐳射測距技術，幫助實現對天琴衛星毫米級的定軌精度；並進行空間等效原理檢驗實驗、下一代重力衛星實驗等，最終進行天琴空間引力波探測實驗：探測引力波。

與美國的LIGO（鐳射干涉引力波天文臺）相比，天琴計畫引力波探測會有光學輔助手段，此外，與LIGO探測到的短時間的爆發型引力波不同，天琴探測的低頻段的連續型引力波，可以持續驗證。

“天琴計畫”不僅僅是基礎研究，‘天琴計畫’發展起來的關鍵技術可用於很多領域，如精確測量地球重力場，使人類更加深刻地瞭解地球、水資源和礦產資源的分佈和變化。又如精確測量距離，大到兩顆衛星之間的距離，小到一個原子尺度的變化，都可以精確測算出來。

“天琴計畫”主要將分四階段實施：第一階段完成月球/衛星鐳射測距系統、大型鐳射陀螺儀等天琴計畫地面輔助設施；第二階段完成無拖曳控制、星載鐳射干涉儀等關鍵技術驗證，以及空間等效原理實驗檢驗；第三階段完成高精度慣性傳感、星間鐳射測距等關鍵技術驗證，以及全球重力場測量；第四階段完成所有空間引力波探測所需的關鍵技術，發射三顆地球高軌衛星進行引力波探測。

完成全部四個子計畫，大約需要二十年的時間，投資大約150億元人民幣。

“天琴計畫”將成為中方牽頭的國際合作專案。目前（2016年），除了來自中國多所高校、研究機構之外，LISA計畫課題組的幾位核心成員非常願意開展合作，來自德國、義大利、法國的頂尖教授也希望成為合作者或者顧問，俄羅斯莫斯科大學幾位教授已經參與進來。

2016-02-13 美國科學家宣佈直接探測到引力波

愛因斯坦領先了100年。據國外媒體報導，美國一個科學家團隊宣佈第一次發現了引力波，他們使用位於美國的鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)發現通過地球附近的引力波。引力波首先由愛因斯坦在100年前預測，我們花了這麼長的時間才趕上他提出的理論，並確認其存在。

黑洞合併釋放能量超過宇宙所有恒星。科學家懷疑兩個黑洞在合併的最後幾分鐘內會釋放出強大的能量，他們碰撞已經在十多億年前已經發生。

人類最靈敏的探測器。位於美國的鐳射干涉引力波天文臺探測到引力波信號，其靈敏度可以探測比氫原子直徑還小100萬倍的變化。

引力波能夠穿越宇宙空間。引力波允許我們探測到它，當兩個黑洞碰撞時科學家發現了引力波信號。黑洞碰撞所釋放的引力波能量非常強大，穿越十多億光年外仍然可以被我們所探測到。

引力波無處不在。除了黑洞碰撞會產生引力波外，地球、太陽的空間運行也會產生引力波，只不過地球和太陽產生的引力波非常非常微弱，至少是黑洞碰撞的千億分之一，我們現有的技術還無法探測到這樣級別的引力波。

黑洞合併很常見。科學家估計在宇宙中每15分鐘就有一次黑洞合併事件發生，黑洞合併會創造強大的引力波，我們現在可以探測到引力波的存在。

引力波天文學拉開序幕。引力波在被探測到之前我們無法知道如何黑洞碰撞是否會產生引力波，這一發現不僅僅驗證了愛因斯坦的預言，也揭示了我們從來不知道的宇宙新行為。