9月16日，國(guó)際最權(quán)威的天文刊物之一Nature Astronomy（《自然·天文》）雜志刊登了由中國(guó)科學(xué)家龔云貴、羅俊、王斌撰寫(xiě)的論文Concepts and status of Chinese space gravitational wave detection projects，全方位地介紹中國(guó)的“天琴”及“太極”計(jì)劃的歷史、概念及進(jìn)展。這是中國(guó)科學(xué)家第一次在頂尖國(guó)際雜志對(duì)中國(guó)空間引力波探測(cè)計(jì)劃做完整系統(tǒng)的介紹，并對(duì)未來(lái)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)與合作發(fā)出中國(guó)聲音。
中國(guó)科學(xué)家在文中首次提出，如果中外的空間引力波探測(cè)計(jì)劃如期實(shí)現(xiàn)，那么到本世紀(jì)30年代，歐洲的LISA，中國(guó)的天琴計(jì)劃、太極計(jì)劃，通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互協(xié)作，將有望確定引力波波源等重大宇宙信息，從而為人類(lèi)揭開(kāi)更多宇宙奧秘。
文章顯示，LISA計(jì)劃、天琴計(jì)劃、太極計(jì)劃都是探測(cè)低頻引力波的太空探測(cè)方案。如果本世紀(jì)30年代這三個(gè)計(jì)劃都順利執(zhí)行，到時(shí)不僅是各顯神通，更重要的科學(xué)意義在于這三個(gè)空間引力波觀(guān)測(cè)站能否互相協(xié)作，共同揭示更深刻的引力物理本質(zhì)與宇宙奧秘，這是值得我們期待的。
引力波是時(shí)空的漣漪，她能告訴我們關(guān)于宇宙起源、演化和時(shí)空結(jié)構(gòu)的信息。100多年前愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論就已經(jīng)預(yù)言了她的存在。2016年2月11日，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)宣布在2015年9月14日人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波，證實(shí)了愛(ài)因斯坦的預(yù)言。這是21世紀(jì)物理學(xué)最重大的發(fā)現(xiàn)，它宣告了引力波天文學(xué)時(shí)代的到來(lái)。2017年，這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。到目前為止，美國(guó)的LIGO和歐洲的Virgo觀(guān)測(cè)到了50多個(gè)引力波事件，這些信號(hào)都是由天體中恒星級(jí)雙黑洞、雙中子星、黑洞與中子星或黑洞與其他奇異致密星體合并產(chǎn)生的。
但地面引力波探測(cè)器有局限性，只能檢測(cè)到由恒星級(jí)黑洞或中子星并合所發(fā)出的頻率較高的短暫強(qiáng)烈的引力波?！叭祟?lèi)要探測(cè)低頻引力波只能到太空去?！闭撐淖髡咧?、上海引力波探測(cè)前沿科學(xué)中心與揚(yáng)州大學(xué)引力與宇宙學(xué)中心王斌教授說(shuō)，也因此歐美發(fā)達(dá)國(guó)家很早就布局了空間引力波探測(cè)計(jì)劃，LISA就是其中最有名的一個(gè)。
與此同時(shí)，中國(guó)科學(xué)家從來(lái)沒(méi)有放棄對(duì)這一最前沿的科學(xué)問(wèn)題的探索。天琴計(jì)劃首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士羅俊教授自上個(gè)世紀(jì)80年代就開(kāi)始埋首于引力基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，90年代中期開(kāi)始引力波探測(cè)隔振關(guān)鍵技術(shù)研究，于2000年布局了空間慣性傳感技術(shù)的研究，2002年布局了星間激光干涉測(cè)量技術(shù)的研究，這是在太空中進(jìn)行引力波探測(cè)的幾項(xiàng)最核心的技術(shù)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，羅俊教授團(tuán)隊(duì)的空間加速度計(jì)在國(guó)內(nèi)率先進(jìn)行了在軌飛行試驗(yàn)，為我國(guó)自主開(kāi)展空間引力波探測(cè)奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持走自主發(fā)展的道路，于2014年在國(guó)內(nèi)率先提出要自主開(kāi)展我國(guó)的空間引力波探測(cè)天琴計(jì)劃，并制定了“0123”的技術(shù)路線(xiàn)。
天琴計(jì)劃的方案被稱(chēng)為中國(guó)方案，與歐洲LISA計(jì)劃不同，它的目標(biāo)是在2035年前后，在約10萬(wàn)公里高的地球軌道上，部署3顆全同衛(wèi)星，構(gòu)成邊長(zhǎng)約為17萬(wàn)公里的等邊三角形星座，建成空間引力波天文臺(tái)“天琴”，開(kāi)展引力波的空間探測(cè)。
同為中國(guó)空間引力波探測(cè)的太極計(jì)劃，與歐洲LISA計(jì)劃基本相同，在距離地球約5000萬(wàn)公里的軌道上，發(fā)射三顆全同衛(wèi)星，三星編隊(duì)軌道以太陽(yáng)為中心，設(shè)計(jì)干涉臂臂長(zhǎng)即衛(wèi)星間距300萬(wàn)公里。2016年，提出該計(jì)劃的中國(guó)科學(xué)院為實(shí)現(xiàn)它制定了“三步走”發(fā)展路線(xiàn)。
天琴、LISA、太極，三個(gè)計(jì)劃，前者是地心軌道方案，后兩者是日心軌道方案，需要相同的核心技術(shù)，也有各自不同的技術(shù)難題，但對(duì)空間引力波探測(cè)具有互補(bǔ)性。該論文分析，三個(gè)探測(cè)計(jì)劃里，單個(gè)探測(cè)器對(duì)于不同空間方位的敏感度不同。三個(gè)探測(cè)器聯(lián)合起來(lái)不僅可以覆蓋更寬廣的空間，而且可以更加精確地確定引力波源的物理參數(shù)，從而更好地理解種子黑洞的起源及演化、宇宙的起源及演化與引力的本質(zhì)特性等。
“與LISA和太極相比，天琴對(duì)相對(duì)高頻信號(hào)（0.1赫茲）觀(guān)測(cè)更加敏感，由于波源定位能力隨頻率增大而提高，天琴在對(duì)高頻引力波波源的定位能力方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)?？紤]到LISA與天琴不同的設(shè)計(jì)理念與運(yùn)行軌道，它們聯(lián)合觀(guān)測(cè)時(shí)能互補(bǔ)，在1-100毫赫茲范圍內(nèi)，LISA-天琴聯(lián)合觀(guān)測(cè)網(wǎng)的定位精準(zhǔn)度比單個(gè)探測(cè)器高且定位效率也高，覆蓋天區(qū)范圍更廣闊。天琴的敏感頻率在幾十毫赫茲頻段，它的定位及探測(cè)能力不會(huì)受到探測(cè)器平面指向固定參考源的影響?！闭撐淖髡咧?、華中科技大學(xué)教授龔云貴說(shuō)，此外，太極探測(cè)器臂長(zhǎng)大于LISA，在毫赫茲頻段太極比LISA敏感，盡管LISA與太極軌道類(lèi)似，在毫赫茲頻段，LISA和太極的探測(cè)器平面轉(zhuǎn)動(dòng)不但可以幫助其提高空間定位能力，而且可以幫助其覆蓋所有空間方位。
“聯(lián)合觀(guān)測(cè)不但可以極大提高對(duì)引力波源的空間定位能力，而且可以觀(guān)測(cè)到更寬的頻段及更大的空間范圍，從而為研究哈勃常數(shù)等宇宙學(xué)參數(shù)及宇宙演化提供新的觀(guān)測(cè)手段?！?王斌教授說(shuō)，這是科學(xué)家們首次對(duì)三大計(jì)劃協(xié)同應(yīng)用進(jìn)行的理論研究新發(fā)現(xiàn)。
文章還介紹了中國(guó)的引力波探測(cè)計(jì)劃得到了黨和國(guó)家的高度重視。中國(guó)科技部啟動(dòng)了引力波探測(cè)重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，國(guó)家航天局和教育部分別批準(zhǔn)成立了引力波研究中心和天琴前沿科學(xué)中心，國(guó)家自然科學(xué)基金委啟動(dòng)了引力波重大計(jì)劃，國(guó)家航天局、教育部、中國(guó)科學(xué)院等部門(mén)對(duì)引力波的研究也有了中、遠(yuǎn)期布局。
目前，天琴計(jì)劃“0123”技術(shù)路線(xiàn)圖中的第“0”步的月球激光測(cè)距和第“1”步的“天琴一號(hào)”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目已經(jīng)順利開(kāi)展，作為第“2”步的“天琴二號(hào)”衛(wèi)星項(xiàng)目正在順利推進(jìn)中。太極計(jì)劃也完成了三步走中的第一步，正在推進(jìn)后續(xù)工作。兩個(gè)計(jì)劃的工作得到了國(guó)際上越來(lái)越多科學(xué)家的關(guān)注和重視。
Nature Astronomy是國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature(自然)于2017年創(chuàng)立的自然科學(xué)類(lèi)子刊，是天文學(xué)領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊。
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