天琴計劃、阿里計劃「聆聽宇宙之聲」中國的重力波探測計劃

2016-02-19 08:10

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科學家模擬的重力波圖像(PHYSICAL REVIEW LETTERS)

科學家模擬的重力波圖像(PHYSICAL REVIEW LETTERS)

近日,美國「雷射干涉重力波天文台」(LIGO)第一次直接探測到重力波,證實了愛因斯坦重力理論的最後一項預言,震動世界。重力波探測為人類開啟了宇宙觀測的全新視窗,中國科學家將在其中有何作為?

怎樣才能探測到重力波?

美國麻省理工學院物理系研究員蘇萌介紹,一旦宇宙中某個地方產生了重力波信號,就好比大功率擴音喇叭在宇宙的某個角落喊一聲,這種時空的「振盪」會以重力波的形式在宇宙間幾乎毫無阻力的傳播。如果離地球足夠近,就可以用「重力波天線」接受這些訊號。就像地球上時不時發生地震一樣,只要我們有一部好的「地震儀」就能探測到這些微乎其微的振盪。

科學家們針對不同頻率的重力波信號源,建造了不同的重力波接收器,大致可以分為三類:——這次探測到重力波的LIGO科學合作組,目標是幾十到幾千赫茲的高頻段,主要的重力波信號源是中子星、恆星級黑洞等緻密天體組成的雙星系統併合過程,探測手段就是地面數公里長的雷射干涉裝置。

——如果重力波的頻率提升到10萬分之1到1赫茲,對應的信號來源通常為質量更小一些的大質量黑洞併合過程的後期,可通過空間衛星陣列來探測。歐洲空間局的LISA計劃就是以此為目標,計劃2035年左右上天開始收集資料,其首顆技術驗證星2015年底發射升空。

——第三類接收器針對的是一種更獨特的重力波,它不同於天體運動、演化形成的重力波,而是來自於宇宙早期,產生於宇宙大霹靂時宇宙時空劇烈的暴脹過程中,也就是「原初重力波」信號。它的探測需要對宇宙微波背景輻射進行觀測,一旦被探測到對基礎物理學意義更加重大。

「此次LIGO實驗在它的工作頻段證實重力波的存在,也就是說,重力波在其他廣泛的頻段都應該存在,如果在對應這些重力波頻段的探測上建造領先的實驗裝置,就會在未來的重力波科學大發現上佔據先機。」蘇萌說。

中國的重力波探測如何行動?

實際上,早在上世紀70年代,中國科學家就開始了重力波研究,但由於種種原因停滯了十幾年,造成了人才斷層。直到2008年,在中科院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下,中國的重力波研究才再度開啟。

中科院高能物理研究所所長王貽芳院士說,「目前中國的重力波研究主要有兩個方向,一是由中山大學領銜的『天琴計劃』,是去太空捕捉重力波;二是由中科院高能物理研究所主導的『阿里實驗計劃』,目標是在地面探測原初重力波。這是兩個完全不同的研究方向和科學目標。」

「阿里實驗計劃」負責人、中科院高能所研究員張新民介紹,原初重力波太微弱,所以要選各種干擾儘量少的區域。目前,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,而北半球則在格陵蘭島和中國西藏阿里地區。

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