聆聽宇宙的遙遠迴響 中國加入重力波探測行列

2016-06-21 08:00

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科學家宣布發現重力波(新華社)

科學家宣布發現重力波(新華社)

美國科學家15日宣布,利用「雷射干涉重力波天文臺(LIGO)」於2015年12月25日再次「非常清晰」地探測到「時空漣漪」重力波。科學家稱之為「來自愛因斯坦的聖誕禮物」。許多中國的天文學家和物理學家連夜觀看了美國新聞發布的直播,並撰寫科普文章。

「LIGO在短短的4個月之內發現了兩個確鑿、一個疑似重力波事件,說明今後重力波事件的探測概率比我們以前預計的要高不少,這非常激動人心。」中國科學院高能物理研究所研究員、黑洞專家張雙南說。

中國科學院國家天文臺研究員、《星際效應》(Interstellar)中文版譯者團成員苟利軍說:「上一次的發現暫且存疑的話,再一次的發現在很大程度上消除了大家的疑慮,也讓我們更加確信和意識到只要設備足夠靈敏,就可以常態化地探測到來自星辰大海的聲音,看到宇宙中難以被察覺的一面。」

科學家將重力波比喻成一場宇宙交響曲,而美國LIGO的成果只是一個序曲。中國科學家不甘心僅僅討論美國主導的科學發現,也在努力推動一系列中國的重力波探測計畫,他們準備走向太空,入巨型天坑,登世界屋脊,聆聽宇宙的遙遠迴響。

去太空探測重力波

今年2月,中國科學家公布了空間探測重力波計畫「太極」。在最近舉行的中國科學院院士大會上,太極計畫首席科學家、中科院院士吳岳良介紹了這一計畫的科學目標和路線圖。

吳嶽良說,太極計畫主要目標是探測中等品質的種子黑洞是如何形成的,暗物質能否形成種子黑洞,種子黑洞是如何成長為大品質黑洞和超大品質黑洞,深入研究黑洞併合的過程;進一步精確核對總和擴展愛因斯坦廣義相對論,揭示重力本質;同時,發展前沿交叉科學領域,發展空間重力波探測的一系列關鍵技術,使中國的空間科學在國際上占一席之地。

他介紹,2016年-2020年為太極計畫的預研和關鍵技術突破階段;2020年-2025年為關鍵技術應用和驗證階段,發射下一代時變地球重力衛星;2025年-2033年為測試和發射階段,發射太極計畫探測衛星,開展空間重力波探測實驗。

另一項空間重力波探測計畫——天琴計畫的提出者、中山大學校長、中科院院士羅俊也在院士大會上介紹了該計畫的進展。他說,目前天琴計畫已在廣東省、珠海市、教育部的支援下開始了科研平臺建設。為實施這一探測,科研人員研製的新一代雷射測距反射器,將搭載到2018年發射的嫦娥四號中繼衛星上,開展雷射測距實驗。

FAST觀測,真的快了

中國正在貴州建設的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST),預計2016年9月竣工。FAST的一個重要目標是利用脈衝星探測重力波。

中科院院士武向平說:「重力波的空間漣漪可以造成其中的電磁波傳播時間變化,長期監測作為精準時鐘的脈衝星脈衝到達時間,也可以讓我們探測到重力波效應,並且波源對應體將是超大品質的黑洞旋轉和併合。」

他說,在人類第一次發現重力波後,世界上迅速推出了諸多後續探測計畫,以期在其他波段看到更低頻率和更劇烈波源的重力波事件,最值得期待和看好的是宇宙暴脹原初重力波探測和脈衝星計時超大品質黑洞併合的重力波探測。

他預計,國際脈衝星測時聯盟未來幾年將會有重大突破。「中國隨著FAST的建成並加入國際重力波探測行列,將會把脈衝星計時重力波探測的靈敏度提高2至3倍。另外,即將建設的平方公里射電望遠鏡SKA,中國是首創國之一,將把脈衝星計時探測重力波確立為首要科學目標之一。」

「目前我們亟待啟動脈衝星重力波探測設備和隊伍,掌握人類認識宇宙的又一新技術。」武向平說。

阿里將建兩台望遠鏡,捕捉宇宙「初啼」

中國科學家計畫在5年內,於海拔5000多米的西藏阿里建設兩台望遠鏡,捕捉原初重力波帶來的宇宙誕生的「初啼」。

阿里計畫的提出者、中科院高能物理所研究員張新民對新華社記者說,阿里專案已得到中科院、國家自然科學基金委的支持,科技部重力波專項預計也會很快啟動。

「原初重力波在國際上還沒有被探測出來,對中國是機遇,我們不抓緊就會失去。所以我們正在積極推進相關工作,包括基礎設施建設,望遠鏡研製,資料類比科學團隊和研究隊伍的組建,中美合作等各個方面。」張新民說。

「我們爭取在3年內先在5300米的台址建設一台小型望遠鏡,實現在北天區的首次探測。然後在5年內在更高的台址上建設精度更高的第二台望遠鏡,並與國際團隊在南極的觀測開展合作,實現全天覆蓋。」張新民說。

宇宙暴脹理論認為,在大爆炸發生後的極短一瞬間,宇宙經歷了一場快速膨脹,時空產生了劇烈擾動。這「暴脹」過程中產生的「原初重力波」就會在宇宙微波背景輻射(CMB)中留下可探測的印跡。尋找原初重力波,就是要在這一微波背景輻射找到重力波的獨特印記。

張新民說,原初重力波太微弱,所以要選干擾盡可能少的區域。大氣越稀薄、水汽含量越少,才越有希望看清原初重力波留下的痕跡。目前,根據大氣透射率,科學家在全球共選出了4個最佳觀測點,南半球是南極和智利阿塔卡馬沙漠,北半球在格陵蘭島和西藏阿里。阿里有望成為北半球天區第一個地面觀測點,與南半球實現聯合觀測。

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