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中国科学家在《自然·天文》发文介绍中国空间引力波探测计划

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发布时间:Friday, September 17, 2021 已经查看了55次

北京时间9月16日凌晨,国际最权威的天文刊物之一Nature Astronomy(《自然·天文》)杂志刊登了由中国科学家龚云贵、罗俊、王斌撰写的论文Concepts and status of Chinese space gravitational wave detection projects,全方位地介绍中国的“天琴”及“太极”计划的历史、概念及进展。这是中国科学家第一次在顶尖国际杂志对中国空间引力波探测计划做完整系统的介绍,并对未来参与国际竞争与合作发出中国声音。?


中国科学家在文中首次提出,如果中外的空间引力波探测计划如期实现,那么到本世纪30年代,欧洲的LISA,中国的天琴计划、太极计划,通过优势互补、相互协作,将有望确定引力波波源等重大宇宙信息,从而为人类揭开更多宇宙奥秘。

文章显示,LISA计划、天琴计划、太极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,到时不仅是各显神通,更重要的科学意义在于这三个空间引力波观测站能否互相协作,共同揭示更深刻的引力物理本质与宇宙奥秘,这是值得我们期待的。

引力波是时空的涟漪,她能告诉我们关于宇宙起源、演化和时空结构的信息。100多年前爱因斯坦广义相对论就已经预言了她的存在。2016年2月11日,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,证实了爱因斯坦的预言。这是21世纪物理学最重大的发现,它宣告了引力波天文学时代的到来。2017年,这一发现获得了诺贝尔物理学奖。到目前为止,美国的LIGO和欧洲的Virgo观测到了50多个引力波事件,这些信号都是由天体中恒星级双黑洞、双中子星、黑洞与中子星或黑洞与其他奇异致密星体合并产生的。

但地面引力波探测器有局限性,只能检测到由恒星级黑洞或中子星并合所发出的频率较高的短暂强烈的引力波。“人类要探测低频引力波只能到太空去。”论文作者之一、上海引力波探测前沿科学中心与扬州大学引力与宇宙学中心王斌教授说,也因此欧美发达国家很早就布局了空间引力波探测计划,LISA就是其中最有名的一个。


与此同时,中国科学家从来没有放弃对这一最前沿的科学问题的探索。天琴计划首席科学家、中国科学院院士罗俊教授自上个世纪80年代就开始埋首于引力基础实验研究,90年代中期开始引力波探测隔振关键技术研究,于2000年布局了空间惯性传感技术的研究,2002年布局了星间激光干涉测量技术的研究,这是在太空中进行引力波探测的几项最核心的技术。经过多年的发展,罗俊教授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。团队始终坚持走自主发展的道路,于2014年在国内率先提出要自主开展我国的空间引力波探测天琴计划,并制定了“0123”的技术路线。


天琴计划的方案被称为中国方案,与欧洲LISA计划不同,它的目标是在2035年前后,在约10万公里高的地球轨道上,部署3颗全同卫星,构成边长约为17万公里的等边三角形星座,建成空间引力波天文台“天琴”,开展引力波的空间探测。

同为中国空间引力波探测的太极计划,与欧洲LISA计划基本相同,在距离地球约5000万公里的轨道上,发射三颗全同卫星,三星编队轨道以太阳为中心,设计干涉臂臂长即卫星间距300万公里。2016年,提出该计划的中国科学院为实现它制定了“三步走”发展路线。


天琴、LISA、太极,三个计划,前者是地心轨道方案,后两者是日心轨道方案,需要相同的核心技术,也有各自不同的技术难题,但对空间引力波探测具有互补性。该论文分析,三个探测计划里,单个探测器对于不同空间方位的敏感度不同。三个探测器联合起来不仅可以覆盖更宽广的空间,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、宇宙的起源及演化与引力的本质特性等。


“与LISA和太极相比,天琴对相对高频信号(0.1赫兹)观测更加敏感,由于波源定位能力随频率增大而提高,天琴在对高频引力波波源的定位能力方面具有明显的优势。考虑到LISA与天琴不同的设计理念与运行轨道,它们联合观测时能互补,在1-100毫赫兹范围内,LISA-天琴联合观测网的定位精准度比单个探测器高且定位效率也高,覆盖天区范围更广阔。天琴的敏感频率在几十毫赫兹频段,它的定位及探测能力不会受到探测器平面指向固定参考源的影响。”论文作者之一、华中科技大学教授龚云贵说,此外,太极探测器臂长大于LISA,在毫赫兹频段太极比LISA敏感,尽管LISA与太极轨道类似,在毫赫兹频段,LISA和太极的探测器平面转动不但可以帮助其提高空间定位能力,而且可以帮助其覆盖所有空间方位。


“联合观测不但可以极大提高对引力波源的空间定位能力,而且可以观测到更宽的频段及更大的空间范围,从而为研究哈勃常数等宇宙学参数及宇宙演化提供新的观测手段。” 王斌教授说,这是科学家们首次对三大计划协同应用进行的理论研究新发现。

文章还介绍了中国的引力波探测计划得到了党和国家的高度重视。中国科技部启动了引力波探测重点专项,国家航天局和教育部分别批准成立了引力波研究中心和天琴前沿科学中心,国家自然科学基金委启动了引力波重大计划,国家航天局、教育部、中国科学院等部门对引力波的研究也有了中、远期布局。

目前,天琴计划“0123”技术路线图中的第“0”步的月球激光测距和第“1”步的“天琴一号”技术试验卫星项目已经顺利开展,作为第“2”步的“天琴二号”卫星项目正在顺利推进中。太极计划也完成了三步走中的第一步,正在推进后续工作。两个计划的工作得到了国际上越来越多科学家的关注和重视。

Nature Astronomy是国际顶级学术期刊Nature(自然)于2017年创立的自然科学类子刊,是天文学领域国际权威学术期刊。


http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2021-09/17/content_1220406.shtml