中国引力波探测计划“天琴”“太极”各进一步 与国外竞争白热化

2019年12月20日,“天琴一号”卫星在太原卫星发射中心成功发射,而“太极一号”卫星则更早一步,于2019年8月31日成功发射。这两颗卫星的顺利运行标志着中国引力波探测计划“天琴”计划和“太极”计划各进一步。

先介绍一下“天琴计划”,它的目标是2035年前后在距离地球约10万公里的轨道上,部署3颗全同卫星构成边长约17万公里的等边三角形编队,在太空中建成一个引力波天文台,探测引力波。引力波探测“天琴”计划的关键人物是罗俊院士,在武汉华中科技大学的喻家山底下一个防空洞里,罗俊院士和他的团队正在研发引力波探测装置。这个计划于2014年提出,按照“0123”四个步骤实施。其中“0”步骤,是在国内首次得到月球上全部五个激光反射镜的回波信号,这一关键技术已于2019年11月完成。“0123”路线图中的“1”步骤,包括发射单颗高精度空间惯性基准技术试验卫星和单颗天琴探路者试验卫星,“天琴一号”正是这颗“单颗高精度空间惯性基准技术试验卫星。据披露,天琴计划项目投资大约150亿元人民币,工程巨大,技术前沿且复杂。

中国的空间引力波探测项目现有两个方案,一个是由中山大学主导的“天琴计划”,而另一个是由中科院力学所和国科大领导的“太极计划”。“太极计划”预计2033年发射卫星组,中国的两个计划发射时间均与欧洲空间局LISA计划接近。2019年12月25日,中科院国家空间科学中心宣布,“太极一号”卫星成果超出预期,在轨测试实验取得成功。据悉,闻风中国动态后,欧洲空间局立马加速LISA计划。相关负责人表示,这是一场空间科技话语权、主导权、发展权之争。各个项目争分夺秒向前推进。

1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。引力波就是时空弯曲中的涟漪,当引力波通过的时候,物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少,引力波探测对于研究宇宙的起源、发展、演变意义重大。2016年年初,美国的LIGO地面应力波探测装置首次直接探测到了引力波,找到了验证爱因斯坦广义相对论的“最后一块拼图”,在国际上掀起了引力波探测研究的热潮。

与美国的LIGO(激光干涉引力波天文台)相比,天琴计划等引力波探测都是告别地面前往太空进行,会有光学辅助手段。此外,与LIGO探测到的短时间的爆发型引力波不同,天琴探测的低频段的连续型引力波,可以持续验证。“天琴”的重要探测对象是一个周期仅有5.4分钟的超紧凑双白矮星系统RXJ0806.3+1527产生的引力波。

而欧洲LISA计划预算10.5亿欧,2015年年底已发射LISA关键技术卫星,并打算2034年发射三颗卫星组成边长为250万公里的等边三角形星座,引力波经过使得三边出现小于原子直径的变化,能利用激光干涉仪探测到。可以说,LISA的基本原理仿照了LIGO,只是探测臂放大了60万倍。天琴计划与LISA计划的主要差别,天琴轨道绕地球,LISA轨道绕太阳,另外天琴计划探测波段比LISA大约高10倍。

而中国太极计划与LISA计划更类似,也是发射三颗卫星编队,也是跟随地球绕太阳运行,但其星间距初步设计为50万公里。LISA计划、太极计划、天琴计划等都是探测低频引力波,高频引力波一般小质量黑洞并和产生,而低频引力波则大质量黑洞和超大质量黑洞并和产生。科学家解释说,低频引力波探测有望发现宇宙原初引力波,倾听宇宙诞生之初的轻啼。

太空探测引力波计划,除了欧洲,美国有BBO计划,也叫“后爱因斯坦”计划,该计划有一颗“大爆炸观测者”卫星,着重探测地面装置和LISA计划之间的“中频引力波”。日本也有DECIGO计划,该计划由3颗无阻力卫星构成,各相距1000公里,计划在2024年发射。

地面探测计划除了LIGO之外,还有意大利法国合作的VIRGO计划,德国和英国合作的GEO计划,日本的TAMA300计划。印度LIGO计划声称2024年建成。另外,中科院高能所牵头,与美国BICEP团队合作的原初引力波探测项目也正在海波5100米的西藏阿里建设,一期望远镜将于2020年开始观测。
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