衛星探測太空重力波》中國與歐洲科學家籌備「太極」計劃

2016-02-20 15:37

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13億年前兩個黑洞的撞擊,讓人類探測到重力波的存在(LIGO)

13億年前兩個黑洞的撞擊,讓人類探測到重力波的存在(LIGO)

2月16日,中國科學家公布了一項新的空間探測重力波計劃——「太極」。中國科學院院士、太極計劃首席科學家胡文瑞透露,太極計劃的設想之一是在2030年前後發射三顆衛星組成的重力波探測星組,用雷射干涉方法進行中低頻波段重力波的直接探測,目標是觀測雙黑洞併合和極大質量比天體併合時產生的重力波輻射,以及其他的宇宙重力波輻射過程。

據悉,太極計劃是一個中歐合作的國際合作計劃,目前有兩個方案。方案一是參加歐洲太空總署(ESA)的eLISA雙邊合作計劃。方案二是發射三顆中國的重力波探測衛星組,與2035年左右發射的eLISA衛星組同時邀遊太空,獨立進行重力波探測,兩組衛星互相補充和檢驗測量結果。

萬物開始是「太極」

這一計劃緣何起名「太極」?胡文瑞解釋道:按照中國的宇宙觀,萬物開始是「太極」,探測原初重力波就是研究宇宙的起源,而太極的圖形與雙黑洞形象很相似。

「如果說重力波是一場宇宙交響曲,那麼美國LIGO(雷射干涉重力波天文台)的成果只是一個序曲,但主樂章在太空探測領域,將解答更多重大學術問題。」胡文瑞說。

隨著人類在2016年初宣布首次直接探測到重力波,取得科學上的重大突破,中國科學家一系列與重力波探測相關的計劃也浮出水面,備受關注。或登世界屋脊,或入巨型天坑,或上太空……這些不同手段的探測將講述宇宙不同的故事。

在世界屋脊捕捉宇宙的「初啼」

中國科學家計劃在海拔5000多公尺的西藏阿里,捕捉宇宙誕生的「初啼」。

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。

美國科學家2014年在南極的BICEP實驗一度認為發現了原初重力波,結果發現,他們錯將銀河系中星際塵埃造成的干擾當成了宇宙的「初啼」。然而這一結果更激發了原初重力波探測的新高潮。

2014年5月,中科院高能物理所研究員張新民帶領團隊提出在西藏阿里開展CMB實驗研究。據他介紹,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。

全球4個最佳觀測點:南極、智利、格陵蘭、阿里

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,北半球在格陵蘭島和中國西藏阿里。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。

中科院高能所副研究員李虹說,阿里望遠鏡與位於南極的BICEP望遠鏡原理類似,但精度更高,中美將合作研製。如果現在就開始積極研發,預計3至5年內能建成並投入使用。

美國麻省理工學院物理系研究員、哈佛史密森天體物理研究中心研究者蘇萌說,美國哈佛大學、斯坦福大學、芝加哥大學、明尼蘇達大學等同行,都對阿里台址很感興趣,希望開展合作。中國多家單位與美國能源部下屬的國家實驗室簽署了合作備忘錄。

「人類能否用已掌握的物理學規律去理解宇宙的誕生?到底宇宙是否發生過急劇的暴脹過程?這是研究原初重力波獨特的科學目標,是其他重力波探測手段都無法解答的。」蘇萌說。

用地球上的最大「耳朵」聆聽天籟之音

中國西南貴州,在形成於4500萬年前的巨型天坑中,科學家與工程師們正在建造面積相當於30個足球場的世界最大單口徑射電望遠鏡。它像一隻龐大而靈敏的「耳朵」,將捕捉來自遙遠星塵最細微的「聲音」,洞察隱藏在宇宙深處的秘密。

「大耳朵」正式的名字是「500公尺口徑球面射電望遠鏡」,科學家將它的英文名縮寫為FAST。這項中國有史以來最大天文工程,總投資將超過11億元,2011年3月動工,預計2016年9月竣工。建成後,這座射電望遠鏡在未來20至30年將保持世界一流地位。

中科院國家天文台射電部首席科學家李菂說,FAST的一個重要目標是利用脈衝星探測重力波。重力波會使脈衝到達時間發生變化。如果能觀測到全天的脈衝星或者某一方向上的多個脈衝星週期發生變化,就能探測到重力波。

李菂說,實際上科學家對脈衝雙星繞轉軌道的觀測間接證明重力波的存在,已經在1993年獲得了諾貝爾獎。「FAST跟這一類觀測非常接近,針對的是超大質量黑洞合併。超大質量黑洞之間一般距離很遠,周圍有大量的重子物質和吸積過程,會伴隨著各種明確、強烈的電磁信號,這樣就可以做更多的天體物理研究,例如是什麼樣的黑洞,是什麼樣的軌道,吸積多少物質等。」

「LIGO的實驗打開了一個觀測宇宙的新視窗,也使我們對於FAST獲取更豐富的天體物理資訊以及推動物理前沿發展,更有信心。」李菂說。

「天琴計劃」誰將撥動天空的琴弦?

此前,中山大學提出過另一項太空探測重力波計劃,並起了一個詩意的名字「天琴計劃」。

該計劃提出者,中山大學校長、中科院院士羅俊介紹說,天琴計劃為四個階段:一是完成月球/衛星雷射測距系統、大型雷射陀螺儀等地面輔助設施,完成中國自己的月地測距,同時檢驗牛頓萬有引力常數的變化;二是發射一顆衛星,完成無拖曳控制、星載雷射干涉儀等關鍵技術驗證,以及空間等效原理實驗檢驗;三是發射兩顆衛星,完成高精度慣性傳感、星間雷射測距等關鍵技術驗證,以及全球重力場測量;四是完成所有太空重力波探測所需的關鍵技術,發射三顆地球高軌衛星進行重力波探測。

目前,中山大學珠海校區正在建設重力波研究所需的地面基礎設施。已經啟動山洞超靜實驗室和雷射測距地面台站基礎設施建設,部分技術研究已有具體進展。

未來30年,中國科技發展關鍵期

中科院高能物理研究所所長王貽芳說,未來30年是中國科技發展的關鍵期,要從追趕成為國際領先,至少在部分領域需要發起一批標誌性的科學工程,有一批重大科學成果,同時不缺席國際上的其他重大科學項目,共用其重大科學成果。

「雖然我已經80歲了,也許不能看到衛星的發射。但我希望通過『太極』這一計劃,使中國成為國際上太空重力波研究重要基地之一。以基礎科學研究為牽引,中國在太空科學研究、高端太空技術和科學衛星的整體水準上將會有一個質的飛躍。」胡文瑞說。

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