中科院提出空間太極計劃:探測中低頻波段引力波

新浪科技訊 2月16日消息，2016年2月11日LIGO（激光干涉引力波觀測站）實驗組宣佈直接觀測到引力波信號。這一划時代的發現不僅是對愛因斯坦廣義相對論一次意義非凡的直接驗證，也為人類進一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了一個全新的觀測手段。中國科學院經過論證，提出空間太極計劃，規劃我國空間引力波探測在未來數十年內的發展路線圖。按照空間太極計劃我國將在2030年前后發射三顆衛星組成的引力波探測星組，用激光干涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測。太極計劃的主要科學目標是觀測雙黑洞併合和極大質量比天體併合時生的引力波輻射，以及其它的宇宙引力波輻射過程。

宇宙中引力波來自天體的能量和質量變化，不同頻率的引力波對應於不同的天體物理過程。引力波譜的分析表明，地面觀測的高頻(>10Hz) 引力波主要對應於緻密雙星的引力輻射。此次LIGO（激光干涉引力波觀測站）實驗組宣佈直接觀測到引力波信號就屬於高頻信號。上世紀60年代，人們開始在地面用共振天線探測引力波，但是由於靈敏度不夠而未獲得肯定的結果。90年代以來，人們開始用激光干涉方法在地面測量引力波，臂長分別達到4公里(美國的LIGO)，3公里(意、法合作的VIRGO)，600米(德、英合作的GEO)，和300米(日本的TAMA300)，其技術水平比共振天線法的探測靈敏度提高了四個數量級，使得LIGO實驗組最終能夠直接觀測到引力波的信號。

中頻波段的引力波源主要是中等質量的緻密雙星(黑洞、中子星、白矮星)，以及宇宙大爆炸早期(10-34秒以后)生的引力波。近些年來基於地面的引力波探測實驗裝置，由於受空間距離的限制和地球重力梯度噪聲的影響，無法探測低於10Hz的中低頻引力波，使其研究目標變得較為有限。為此，多國科學家都在加緊開展空間引力波探測的研究計劃，空間激光干涉法測量中、中低頻引力波將是天文學和空間宇宙物理最前沿的課題。

1993年歐洲空間局(ESA)首先提出激光干涉空間天線(LISA)計劃，在中低頻波段進行空間引力波測量。1997年美國空間局(NASA)加入，成為歐、美聯合計劃。LISA計劃的引力波源是雙星系、超大質量雙黑洞和大質量比雙黑洞的併合、普通星系核中大質量黑洞捕獲恆星質量黑洞、超緻密雙星、以及大質量天體的爆炸等。2015年底已發射了LISA的關鍵技術驗證衛星LISA-Pathfinder，計劃於2025年左右發射(可能延至2030年或以后)由三顆各相距500萬公里，裝有空間激光干涉儀的衛星組進行空間引力波探測。最近，美國提出的后“愛因斯坦計劃”包括兩顆星，其中一顆是“大爆炸觀測者”，重於探測地面和LISA之間的中頻引力波。日本也提出了在相似頻段觀測引力波的DECIGO計劃。中頻波段的引力波源主要是中等質量的緻密雙星(黑洞、中子星、白矮星)，以及宇宙大爆炸早期(10-34秒以后)生的引力波。

2008年由中國科學院發起，中科院多個研究所及院外高校科研單位共同參與，成立了中國科學院空間引力波探測論證組，開始規劃我國空間引力波探測的，經過幾年的努力，目前已形成了空間太極（Taiji）計劃工作組。按照太極計劃我國在2030年前后將發射由位於等邊三角形頂端三顆衛星組成的引力波探測星組，用激光干涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測。衛星採用無拖技術，星組中衛星間距300萬公里，激光功率約2瓦，望遠鏡口徑約0.5米，加速度噪音為 3 x 10-15ms-2/√Hz。這一組技術指標總體上優於LISA的要求，而頻率範圍覆蓋了LISA的低頻和DECIGO的中頻。

空間引力波太極計劃涉及學科領域和前端技術廣泛，包括物理學、天文學、宇宙學、天體物理、空間科學、光學，以及精密測量、航天技術、導航與制導、飛行器與軌道設計等，需要發展空間超遠距離超高精度激光測量、超高靈敏度慣性感測器，以及超高精度衛星無拖曳控制等下一代高端空間技術，這些技術對於提升我國空間科學和深空探測的技術水平具有重要意義，對慣性導航、地球科學、高精度衛星平台建設等應用領域也將發揮積極的作用。

空間引力波探測和研究同樣需要許多先進技術。在空間激光干涉儀方面需要穩頻和鎖相的大功率激光器和激光干涉系統；需要用無拖技術控制的高精度光學平台；需要測量超低重力水平的慣性感測器；需要控制各種噪聲以分辨出引力波引起的微小距離的變化；以及需要與實驗設備一體化的衛星研製。這些正是引力波國際探測計劃要研究解決的關鍵技術。我國目前的技術能力與國際先進水平還有一定的差距，這種差距可以通過良好的國際合作得到一定的彌補，太極計劃提出的正是中歐合作的國際合作計劃，它有兩個方案。方案I是參加歐洲空間局的eLISA雙邊合作計劃，今年秋天將召開第三次雙方科學家會議，完成雙邊合作的可行性報告，然后各自向主管部門呈報，由雙方主管部門審批后執行。國際上很希望能有二組空間引力波探測系統同時進行空間探測，彼此驗證。方案II就是發射一組中國的引力波探測衛星組，與2035年左右發射的eLISA衛星組同時邀游太空，進行低頻引力波探測。方案II擬於2033年前后發射，實現我國大型先進科學衛星計劃的突破。屆時，中國衛星組與eLISA衛星組同時在空間獨立進行引力波探測，互相補充和檢驗測量結果，我國將成為國際上空間引力波研究最重要基地之一。以基礎科學研究為牽引，我國在空間科學研究、高端空間技術和科學衛星的整體水平上將會有一個質的飛躍。

對於日前備受關注的中山大學發起天琴計劃，中國科學院力學研究所胡文瑞院士表示，天琴計劃不僅僅是引力波觀測，還包括地球重力測量等其他觀測內容，對引力波的觀測在地球軌道，而空間太極計劃由中國科學院發起，計劃專注於觀測中低頻段的引力波，觀測軌道在太陽軌道，實現多維觀測引力波。胡文瑞院士還表示：“中國做引力波研究的人不是太多而是太少，希望越來越多的人能共同參與到引力波的研究中來。”（郭禕）

附 附：太極（Taiji）、LISA、eLISA計劃設計指標

Taiji預研究方案

LISA

eLISA

臂長

3×109m

5×109m

1×109m

測距精度

5-10 pm Hz-1/2

18 pm Hz-1/2

11pm Hz-1/2

激光功率

2W

2W

2W

望遠鏡直徑

~50cm

40cm

20cm

檢驗質量加速度噪聲

3×10-15ms-2Hz-1/2

3×10-15ms-2Hz-1/2

3×10-15ms-2Hz-1/2