中国科学院推出引力波探测“空间太极计划”

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2月16日上午，中国科学院在力学研究所举行空间引力波探测与研究媒体见面会。会议由中科院科学传播局周德进局长主持，其间公布了由中科院支持的“空间太极计划”。计划主要成员中科院力学所胡文瑞院士和国科大吴岳良院士分别就引力波探测与太极计划作了介绍，并就中国引力波物理及量子宇宙物理研究发展前景做了讨论。国科大乔从丰教授介绍道，太极就是宇宙起源，双星和双黑洞的融合也有太极之象，以此为名很有寓意。

下面知社为您介绍究竟何为太极，并附加州理工学院教授、LIGO科学联盟核心成员、理论物理学家陈雁北博士访谈。

一百年前，爱因斯坦在创立了广义相对论后不久就提出了引力波存在预言。百年来，世界各国的科学家为寻找和发现引力波付出了巨大的努力，建造了多种实验装置。1974年，Hulse和 Taylor发现了脉冲双星PSR B1913+16,并在后续观测中间接找到了引力波存在的证据，于1993年获得诺贝尔物理学奖。2016年2月11日LIGO（激光干涉引力波观测站）实验组宣布直接观测到引力波信号。这一划时代的发现不仅是对爱因斯坦广义相对论一次意义非凡的直接验证，也为人类进一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了一个全新的观测手段，包括探测宇宙大爆炸时期的引力波，为深入研究超越爱因斯坦广义相对论的量子引力理论提供了实验基础，开启了引力波物理和天文学以及量子宇宙物理研究的新纪元。

宇宙中引力波来自天体的能量和质量变化，不同频率的引力波对应于不同的天体物理过程。引力波谱的分析表明，地面观测的高频(>10Hz) 引力波主要对应于致密双星的引力辐射。上世纪60年代，人们开始在地面用共振天线探测引力波，但是由于灵敏度不够而未获得肯定的结果。90年代以来，人们开始用激光干涉方法在地面测量引力波，臂长分别达到4公里(美国的LIGO)，3公里(意、法合作的VIRGO)，600米(德、英合作的GEO)，和300米(日本的TAMA300)，其技术水平比共振天线法的探测灵敏度提高了四个数量级，使得LIGO实验组最终能够直接观测到引力波的信号。

胡文瑞院士 (左)，吴岳良院士 (中)，周德进局长 (右)

近些年X射线的天文观测提供了星团等稠密动力学环境中中等质量黑洞存在的证据，而在宇宙学星系成长的等级过程中，中等质量黑洞作为超大质量黑洞早期种子来源的存在，也已在理论上被人们普遍接受。基于地面的引力波探测实验装置，由于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，使其研究目标变得较为有限。为此，多国科学家都在加紧开展空间引力波探测的研究计划。1993年欧洲空间局(ESA)首先提出激光干涉空间天线(LISA)计划，在10^-4-10^-2Hz波段进行空间引力波测量。1997年美国空间局(NASA)加入，成为欧、美联合计划。LISA计划的引力波源是双星系、超大质量双黑洞和大质量比双黑洞的并合、普通星系核中大质量黑洞捕获恒星质量黑洞、超致密双星、以及大质量天体的爆炸等。2015年底已发射了LISA的关键技术验证卫星LISA-Pathfinder，计划于2025年左右发射(可能延至2030年或以后)由三颗各相距500万公里，装有空间激光干涉仪的卫星组进行空间引力波探测。最近，美国提出的后“爱因斯坦计划”包括两颗星，其中一颗是“大爆炸观测者”，着重于探测地面和LISA之间的中频(1x10^-2-100 Hz)引力波。日本也提出了在相似频段观测引力波的DECIGO计划。中频波段的引力波源主要是中等质量的致密双星(黑洞、中子星、白矮星)，以及宇宙大爆炸早期(10^-34秒以后)产生的引力波。空间激光干涉法测量中、低频引力波将是天文学和空间宇宙物理最前沿的课题。

在我国，空间引力波探测已被列入中国科学院制订的空间2050年规划。2008年由中国科学院发起，中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与，成立了中国科学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。经过几年的努力，目前已形成了一支以中国科学院科研人员为主，胡文瑞院士、吴岳良院士为首席科学家的空间太极（Taiji）计划工作组。在科学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和研讨会包括香山会议等，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。

经引力波探测和研究工作组多次商议和论证，按太极计划我国在2030年前后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（1x10^-4-1.0Hz）引力波的直接探测。卫星采用无拖曵技术，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，加速度噪音为 3 x 10^-15ms^-2/√Hz。这一组技术指标总体上优于LISA的要求，而频率范围复盖了LISA的低频(10^-4–10^-1Hz)和DECIGO的中频(10^-2–1 Hz)。太极计划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。

空间引力波探测和研究需要许多先进技术。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(10^-12米)的变化；以及需要与实验设备一体化的卫星研制。这些正是引力波国际探测计划要研究解决的关键技术。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。目前太极计划工作组与国际同行已建立了广泛的联系，与德国马普学会引力物理研究所和莱布尼茨大学爱因斯坦研究所确立了深度合作关系。太极计划工作组每年安排人员参加LISA合作组年会，与德国马普学会引力物理研究所每年轮流举办合作交流会议，对研究中所遇到的问题进行磋商和交流。

空间引力波太极计划涉及学科领域和前端技术广泛，包括物理学、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，需要发展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。

太极计划是一个中欧合作的国际合作计划，它有两个方案。方案I是参加欧洲空间局的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。国际上很希望能有二组空间引力波探测系统同时进行空间探测，彼此验证，方案II就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。方案II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，中国卫星组与eLISA卫星组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，我国将成为国际上空间引力波研究最重要基地之一。以基础科学研究为牵引，我国在空间科学研究、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。

在媒体见面会后，知社学术圈第一时间连线美国加州理工学院，请LIGO团队核心成员、理论物理学家陈雁北博士发表感言。陈教授向记者介绍道：

中国进行空间引力波探测，有四个方面的意义。其主要的功用，不是催生诺贝尔奖，而是促进空间技术的发展，进而推动整个技术产业链，带动精密测量、激光、自动控制、高速计算等技术领域和产业的发展。其次，空间技术的提高，也会对地质、水文、矿产、气候变化等地球科学领域产生重大影响。此外，计划的实施，会培养一大批相关领域的专业技术人才和领军人物，从而推动整个国家科学和技术的进步。

最终，我们探索宇宙，来自人性对知识的渴求和未知的好奇。中华民族从远古开始，就对天文学有研究，在甲骨文中就有对宇宙的记载。科技的发展，一方面是为了人民生活品质的提高，另一方面也是为了推动精神文化的进步。这些年国家经济发展了，有这么强大实力，可以追求一些大的科学梦想。

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