中國公布引力波探測計劃：“空間太極計劃”

中國科學院今天公布我國空間引力波探測計劃。

在我國，空間引力波探測已被列入中國科學院制訂的空間2050年規(guī)劃。2008年由中國科學院發(fā)起，中科院多個研究所及院外高?？蒲袉挝还餐瑓⑴c，成立了中國科學院空間引力波探測論證組，開始規(guī)劃我國空間引力波探測在未來數(shù)十年內的發(fā)展路線圖。經(jīng)過幾年的努力，目前已形成了一支以中國科學院科研人員為主，胡文瑞院士、吳岳良院士為首席科學家的空間太極（Taiji）計劃工作組。在科學院先導科技專項空間科學預先研究項目連續(xù)三期的資助下，工作組組織了各種學術交流活動和研討會包括香山會議等，在引力波源的理論及探測研究和衛(wèi)星技術研究上取得了諸多進展。

經(jīng)引力波探測和研究工作組多次商議和論證，按太極計劃我國在2030年前后將發(fā)射由位于等邊三角形頂端三顆衛(wèi)星組成的引力波探測星組，用激光干涉方法進行中低頻波段（1x10-4-1.0Hz）引力波的直接探測。衛(wèi)星采用無拖曵技術，星組中衛(wèi)星間距300萬公里，激光功率約2瓦，望遠鏡口徑約0.5米，加速度噪音為3x10-15ms-2/√Hz。這一組技術指標總體上優(yōu)于LISA的要求，而頻率范圍復蓋了LISA的低頻和DECIGO的中頻。太極計劃的主要科學目標是觀測雙黑洞并合和極大質量比天體并合時產(chǎn)生的引力波輻射，以及其它的宇宙引力波輻射過程。

空間引力波探測和研究需要許多先進技術。在空間激光干涉儀方面需要穩(wěn)頻和鎖相的大功率激光器和激光干涉系統(tǒng)；需要用無拖曵技術控制的高精度光學平臺；需要測量超低重力水平的慣性傳感器；需要控制各種噪聲以分辨出引力波引起的微小距離的變化；以及需要與實驗設備一體化的衛(wèi)星研制。這些正是引力波國際探測計劃要研究解決的關鍵技術。我國目前的技術能力與國際先進水平還有一定的差距，這種差距可以通過良好的國際合作得到一定的彌補。目前太極計劃工作組與國際同行已建立了廣泛的聯(lián)系，與德國馬普學會引力物理研究所和萊布尼茨大學愛因斯坦研究所確立了深度合作關系。太極計劃工作組每年安排人員參加LISA合作組年會，與德國馬普學會引力物理研究所每年輪流舉辦合作交流會議，對研究中所遇到的問題進行磋商和交流。

空間引力波太極計劃涉及學科領域和前端技術廣泛，包括物理學、天文學、宇宙學、天體物理、空間科學、光學，以及精密測量、航天技術、導航與制導、飛行器與軌道設計等，需要發(fā)展空間超遠距離超高精度激光測量、超高靈敏度慣性傳感器，以及超高精度衛(wèi)星無拖曳控制等下一代高端空間技術，這些技術對于提升我國空間科學和深空探測的技術水平具有重要意義，對慣性導航、地球科學、高精度衛(wèi)星平臺建設等應用領域也將發(fā)揮積極的作用。

太極計劃是一個中歐合作的國際合作計劃，它有兩個方案。方案I是參加歐洲空間局的eLISA雙邊合作計劃，今年秋天將召開第三次雙方科學家會議，完成雙邊合作的可行性報告，然后各自向主管部門呈報，由雙方主管部門審批后執(zhí)行。國際上很希望能有二組空間引力波探測系統(tǒng)同時進行空間探測，彼此驗證，方案II就是發(fā)射一組中國的引力波探測衛(wèi)星組，與2035年左右發(fā)射的eLISA衛(wèi)星組同時邀游太空，進行低頻引力波探測。方案II擬于2033年前后發(fā)射，實現(xiàn)我國大型先進科學衛(wèi)星計劃的突破。屆時，中國衛(wèi)星組與eLISA衛(wèi)星組同時在空間獨立進行引力波探測，互相補充和檢驗測量結果，我國將成為國際上空間引力波研究最重要基地之一。以基礎科學研究為牽引，我國在空間科學研究、高端空間技術和科學衛(wèi)星的整體水平上將會有一個質的飛躍。

一百年前，愛因斯坦在創(chuàng)立了廣義相對論后不久就提出了引力波存在預言。百年來，世界各國的科學家為尋找和發(fā)現(xiàn)引力波付出了巨大的努力，建造了多種實驗裝置。1974年，Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星PSRB1913+16,并在后續(xù)觀測中間接找到了引力波存在的證據(jù)，于1993年獲得諾貝爾物理學獎。2016年2月11日LIGO（激光干涉引力波觀測站）實驗組宣布直接觀測到引力波信號。這一劃時代的發(fā)現(xiàn)不僅是對愛因斯坦廣義相對論一次意義非凡的直接驗證，也為人類進一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了一個全新的觀測手段，包括探測宇宙大爆炸時期的引力波，為深入研究超越愛因斯坦廣義相對論的量子引力理論提供了實驗基礎，開啟了引力波物理和天文學以及量子宇宙物理研究的新紀元。

宇宙中引力波來自天體的能量和質量變化，不同頻率的引力波對應于不同的天體物理過程。引力波譜的分析表明，地面觀測的高頻引力波主要對應于致密雙星的引力輻射。上世紀60年代，人們開始在地面用共振天線探測引力波，但是由于靈敏度不夠而未獲得肯定的結果。90年代以來，人們開始用激光干涉方法在地面測量引力波，臂長分別達到4公里，3公里，600米，和300米，其技術水平比共振天線法的探測靈敏度提高了四個數(shù)量級，使得LIGO實驗組最終能夠直接觀測到引力波的信號。

近些年X射線的天文觀測提供了星團等稠密動力學環(huán)境中中等質量黑洞存在的證據(jù)，而在宇宙學星系成長的等級過程中，中等質量黑洞作為超大質量黑洞早期種子來源的存在，也已在理論上被人們普遍接受?；诘孛娴囊Σㄌ綔y實驗裝置，由于受空間距離的限制和地球重力梯度噪聲的影響，無法探測低于10Hz的引力波，使其研究目標變得較為有限。為此，多國科學家都在加緊開展空間引力波探測的研究計劃。1993年歐洲空間局首先提出激光干涉空間天線計劃，在10-4-10-2Hz波段進行空間引力波測量。1997年美國空間局加入，成為歐、美聯(lián)合計劃。LISA計劃的引力波源是雙星系、超大質量雙黑洞和大質量比雙黑洞的并合、普通星系核中大質量黑洞捕獲恒星質量黑洞、超致密雙星、以及大質量天體的爆炸等。2015年底已發(fā)射了LISA的關鍵技術驗證衛(wèi)星LISA-Pathfinder，計劃于2025年左右發(fā)射由三顆各相距500萬公里，裝有空間激光干涉儀的衛(wèi)星組進行空間引力波探測。最近，美國提出的后“愛因斯坦計劃”包括兩顆星，其中一顆是“大爆炸觀測者”，著重于探測地面和LISA之間的中頻引力波。日本也提出了在相似頻段觀測引力波的DECIGO計劃。中頻波段的引力波源主要是中等質量的致密雙星，以及宇宙大爆炸早期產(chǎn)生的引力波?？臻g激光干涉法測量中、低頻引力波將是天文學和空間宇宙物理最前沿的課題。