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华中大领衔!向世界介绍中国空间引力波探测计划
2021-09-23 华中科技大学

《自然-天文》(Nature Astronomy)9月15日

发表华中科技大学为第一单位

物理学院龚云贵教授、罗俊院士

上海交通大学及扬州大学王斌教授

共同撰写的论文

“中国空间引力波探测计划的概念与现状”

首次对中国空间引力波做完整系统的介绍

跟着小科

一起聆听龚云贵教授

带来的一堂引力波探测现场课

Q&A

为你揭开神秘引力波的面纱

  龚云贵,华中科技大学二级教授、博士生导师,美国贝勒大学客座教授。现主要从事相对论引力与宇宙学的研究工作,在PRL等国际高水平学术期刊上发表了130余篇SCI学术论文,入选了全球前10万科学家及2020中国高被引学者。

  Q:为什么中国的“天琴计划”和“太极计划”被国际学界如此关注呢?

  A:引力波探测是世界科学界公认的难度最大的尖端科技之一。2016年2月,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布,在2015年9月14日人类首次直接探测到了引力波,这是21世纪物理学最重大的发现。学界普遍认为,引力波的发现是物理学和天文学的一项重大突破。它开启了人类探索宇宙的一扇大门,甚至可能揭开宇宙诞生早期的奥秘。

  目前,发达国家在引力波探测的国际竞争已经到了白热化程度。为了进入引力波这一国际最前沿、最基本的科学研究竞争队列,中国科学家独立提出了“天琴”与“太极”两个空间引力波探测计划。

  空间引力波探测计划目前包括欧美联合的LISA及日本的DECIGO。这两个计划都有几十年的历史,被国际同行熟知。而中国科学家独立提出的“天琴计划”及“太极计划”由于提出的时间短,相关成果积累相对少一些,国际同行了解的也少。《自然-天文》的主编在了解我们的相关研究成果后,认为有必要向国际同行介绍中国的引力波计划及其进展,向国际学界展示中国形象,发出中国声音。更重要的是,我们也想借此呼吁在“引力波探测”这一国际竞争白热化的领域,达成更紧密的国际合作。

  Q:请介绍一下“天琴计划”和“太极计划”?

  A:2014年3月,罗俊院士在华中科技大学的一次国际会议上首次提出、以中国为主导的国际空间引力波探测计划——天琴计划。其实早在1994年,他就在华中科技大学引力中心布局空间引力波探测研究,多年来积累了若干技术,储备了一批优秀的人才。

“天琴计划”示意图

  “天琴计划”的思路是在2035年前后,向距地球10万公里轨道上发射三颗卫星,围绕地球组建等边三角形卫星阵列。它们将像在太空中架了一把竖琴,宇宙中的引力波传过来,则会拨动“琴弦”。通过激光测距等技术测得三颗卫星的距离和位置变化,就能获取该引力波数据,并进行天体物理、宇宙学及基础物理前沿研究。

“太极计划”示意图

  “太极计划”是中国科学院2016年提出的,类似欧美“LISA计划”,“太极计划”的三星编队轨道是以太阳为中心,设计干涉臂臂长即卫星间距300万公里。“太极计划”对卫星的稳定性提出了更高要求,3颗卫星必须构成超稳超静平台。

  Q:“天琴计划”“太极计划”和“LISA计划”有何异同?

  A:目前中国对空间引力波探测的投入力度大,前瞻性研究进展迅猛,与欧美的距离正不断缩小。围绕地球轨道进行探测的“天琴计划”方案被称为中国方案,‘太极计划’和欧美的‘LISA计划’类似,是运行在太阳轨道周围。”

  “天琴计划”和“太极计划”都有其优势和劣势。“太极计划”围绕太阳轨道,虽然成本更高,但它能探测到更大质量的黑洞双星所发出的更低频率的引力波信号。而“天琴计划”由于靠近地球,从发射到入轨预期相对时间较短,更短的激光干涉臂在偏高频端的探测灵敏度高,对于研究中等质量黑洞、以及联合地面探测实验进行多波段引力波研究都非常重要。

  “天琴计划”更适合探测几千个太阳质量的种子黑洞,而“太极计划”则更适合探测大质量黑洞。单个引力波探测器对于不同空间方位的敏感度不同,研究的物理内容不一样,它们之间在探测精度及频段上可以形成互补。

国际上主要几个空间引力波计划示意图

  此外,不同探测器所覆盖的天区也各不一样。如果欧美的“LISA”计划和中国的“天琴”“太极”计划联合,不仅可以覆盖更宽广的天区,而且可以更加精确地确定引力波源的物理参数,从而更好地理解种子黑洞的起源及演化,宇宙的起源及演化及引力的本质特性等。

  无论是“天琴计划”“太极计划”,还是欧洲的“LISA计划”都是探测低频引力波的太空探测方案。如果本世纪30年代这三个计划都顺利执行,到时不仅可以各显神通,而且三个空间引力波观测站互相协作,共同揭示更深刻的引力物理本质与宇宙奥秘,那就太值得期待了!

  Q:华中大人在引力波探索中做了哪些工作?

  A:引力波的存在,为人类观察宇宙打开了全新的视野。而事实上,华中大人为了聆听这种宇宙中最神秘的琴声,已经准备了三十多年。彼时的引力中心还只是依喻家山防空洞而建的一个“山洞实验室”,幽长的甬道两旁分布着多个小房间,罗俊院士团队就在此开始埋首于引力基础实验研究。

  经过多年的发展,该团队的空间加速度计在国内率先进行了在轨飞行试验,为我国自主开展空间引力波探测奠定了关键技术基础。30多年来,在罗俊院士的带领下华中科技大学引力中心一直立足于世界科学前沿、面向国家战略需求,探索出了一条自力更生和自主创新的道路。

  我的团队长期从事引力理论、引力波物理及宇宙学方面的研究,在国际上最先开展“天琴计划”及“太极计划”联合观测方面的研究,发现两者联合可以把引力波源的空间定位能力提高至少两个数量级,这为引力波作为标准汽笛去研究哈勃常数危机及宇宙演化提供了理论基础。

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