中大如何撥動“天琴” 捕捉引力波？

開年第一大科學新聞將人類的目光引向浩瀚的太空———美國“激光干涉引力波天文台（LIG O ）”第一次直接探測到引力波，證實了愛因斯坦引力理論的最后一項預言，震動世界，也引爆了人們對這個尖端基礎物理研究的關注。

聆聽宇宙之聲，中國有何作為？目前中國的引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”，一是由中科院高能物理研究所主導的“阿里實驗計劃”。前者是去太空捕捉引力波，后者是在地面探測原初引力波，是兩個完全不同的研究方向和科學目標。

2月15日，中山大學校長、中國科學院院士羅俊接受新華社、南都採訪時介紹了天琴計劃的具體的內容以及目前的准備情況。羅俊認為，中國應該在引力波探測上有一席之地，建設中國自己的引力波天文台。天琴計劃將成為中方主導的國際合作項目，集聚全世界最優秀的科學家朝同一個目標努力。

相比此前的引力波探測研究遇到的種種困難，羅俊認為，現在做引力波探測研究正是天時、地利、人和。國家對基礎研究的重視程度與投入前所未有，而且做天琴計劃是一群科學家的興趣，相信它就會一直做下去。

引力波被探測到有何意義？

開闢了觀測宇宙的新窗口

南都：您能解釋一下引力波的本質與光有什麼區別嗎？

羅俊：光波是時空標架裏一個物質也就是電磁波的運動。引力波是時空標架本身在發生波動。打個比方，光波就像房子有人在走動，引力波就如同房子的架構自身在波動，當然這個波動非常小。但是這兩者完全不一樣。

南都：您認為引力波被探測到有何意義？

羅俊：LIG O提出想法是70年代，當時激光剛剛出現。他們做了近20年的技術儲備在1991-1992年才立項。從科學意義角度講，它證實了愛因斯坦廣義相對論的最后一項預言。

引力波一旦探測到為我們開闢了觀測宇宙的新窗口。我們知道觀測宇宙有很多手段，你用可見光波段、紅外波段、紫外波段、X射線觀測，不同的波段觀測到宇宙的圖像是不一樣的。你肉眼能看到的閃爍星星在天空佈局，但用紅外、X射線觀測又不一樣。引力波讓我們從另外一個視角觀測宇宙，使得我們對宇宙的演化的了解更加深刻。宇宙在演化過程中，這個過程中會有不同頻段的引力波，你可以追溯到早期的宇宙，也可以看得到恆星的形成過程，看到一個星的衰亡，或者黑洞的併合出現的引力波。

通過引力波探測可以了解宇宙過去、現在發生什麼。這是了解宇宙的新的窗口與通道。它的意義非常重大。中國應該有一席之地，有自己的引力波探測，也應該有引力波天文台。不管國外是否探測到，我們都要做引力波探測。

天琴計劃與美國的LIG O有何區別？

天琴探測低頻引力波可看到更豐富的天文事件

南都：中國佈局引力波探測有何意義？天琴計劃與美國的LIG O有什麼區別？

羅俊：天琴計劃的引力波探測會有光學輔助手段，確定引力波源在什麼地方，通過天文觀測已確定的雙星系統，清楚它們的質量、方位、距離、相互之間繞行的軌道頻率等。而LIGO是通過他們探測到的引力波信號反演推斷存在兩個黑洞的合併發生。但他們沒另外的獨立方式進行確認，如沒有光學輔助手段確認，這種方式叫模型依賴。天琴計劃的引力波探測有光學天文望遠鏡作為輔助手段對引力波源的存在進行確認。

南都：還有其他區別嗎？

羅俊：我們的探測重點不同。我們探測低頻段引力波，LIG O探測高頻段引力波。我們探測是連續的引力波，可以持續驗證，LIG O探測的是短時間的引力波。我們是對一個天文已經觀測到的雙星系統進行觀測，把我們的實驗設備調到相應的狀態，對準它來檢測引力波信號，而非短時間的。

南都：那麼探測低頻的引力波與探測高頻的引力波是否有可比性？

羅俊：低頻與高頻的區別就是大家看到宇宙不同的物理現象和物理進程。不同的頻段是不同的窗口，不同的頻段沒有先進落后之分，就如同你推開不同的窗看到不同的風景，不同頻段的引力波探測將看到不同的天文事件。低頻引力波反映出來的東西更多元更豐富。高頻引力波則大多是宇宙中更極端的事件。而高頻引力波是大質量的天體非常劇烈運動才能生，通常只有中子星或黑洞等天體相撞。然而，宇宙中更多的天文事件不是這種極端事件。往往是兩個星相隔較遠繞行，持續長時間運動。當然，LIGO的引力波探測發現是人類第一次直接觀測到引力波，意義非常重大。

南都：美國宇航局（N ASA）與歐空局（ESA）在2001-2011年間合作開展LISA項目，原計劃發射三顆衛星形成臂長500萬公里的等邊三角形，在地球后方約0.5億公里的地方跟隨地球繞太陽運行。2011年N ASA退出合作。歐洲科學家提出臂長100萬公里，將LISA中三顆全同衛星改為一顆母星帶兩顆伺服子星。天琴計劃與LISA有何區別？

羅俊：在目前討論的初步概念中，天琴將像LISA一樣，採用三顆全同的衛星構成一個等邊三角形陣列，每顆衛星內部都包含一個或兩個極其小心懸浮起來的檢驗質量。衛星上將安裝推力可精細調節的微牛級推進器，實時調節衛星的運動姿態，使檢驗質量始終保持與周圍的保護容器互不接觸的狀態。這樣檢驗質量將只在引力的作用下運動，而來自太陽風或太陽光壓等細微的非引力擾動將被衛星外殼屏蔽掉。高精度的激光干涉測距技術將被用來記錄由引力波引起的、不同衛星上檢驗質量之間的細微距離變化，從而獲得有關引力波的信息。與LISA或eLISA不同的是，天琴的衛星將在以地球為中心、高度約10萬公里的軌道上運行，針對確定的引力波源進行探測。這樣能避免測到引力波信號卻無法確定引力波源的問題，且有望幫助節約大量衛星發射方面成本。天琴實驗技術方案會在未來的研究中進一步優化，以實現其科學價值最大化。

南都：天琴計劃是否也與LISA計劃實現目標的時間相近？

羅俊：是的，天琴計劃用15- 20年的時間上天。LISA預計於2034年發射升空，時間上差不多。

天琴計划具備足夠的　技術和積累嗎？

已有20年技術儲備，LISA項目頂尖教授成為天琴顧問

南都：天琴計划具備足夠的技術和積累嗎？

羅俊：天琴計劃不是今天才拋出來的。實際上，在十二五規劃時，國內不少科學家就形成共識，建議我報引力波大科學工程。我當時，引力波探測是第二期。第一期是測地，第二期才是觀天。我們為了天琴計劃做了20多年的技術儲備。因為要做天琴計劃開展空間引力波探測需要尖端的探測技術。

首先是星間激光測距。也就是兩顆星之間用激光干涉的方法精確測量距離。這一點我們有了很多年積累。其次，慣性感測器，我們對此也做了10多年的技術積累。這一技術曾在2006年搭載衛星進行試驗。2013年第二次衛星搭載。

南都：天琴未來要實現目標需要哪些支持？

羅俊：天琴計劃要15-20年研究時間，希望國家有長時間的支持。天琴計劃希望成為國家發改委支持下的重大科技基礎設施建設項目，也就是“大科學工程”。如成為大科學工程，天琴計劃就有了平台建設的第一批投入，建成后每年還有一定數量的運行費。

南都：天琴計劃與普通的大科學工程有何不同？

羅俊：通常大科學工程是

提供對外服務的公共平台，但是天琴是專門的科學工程，有自己獨特明確的科學目標。它將是一大批科學家、工程師在這個平台上開展工作，最終目標是上天做引力波探測，不需要對外的共享服務。天琴計劃不是以出文章為目標，而是以科學目標作為牽引。因此，天琴計劃大科學工程的考評體系也不一樣。

南都：現在國內外有哪些機構與天琴計劃合作？

羅俊：天琴計劃龐大，應該是一個國家計劃的科研行為，應該得到國家層面的支持，國內已有十多個大學和研究院所參與了天琴計劃的工作。同時，天琴計劃也是一個國際合作項目。LISA計劃課題組的幾位核心成員非常願意與中國天琴計劃開展合作。俄羅斯莫斯科大學幾位教授已經參與合作，還有來自德國、義大利、法國的頂尖教授也希望成為天琴計劃的合作者或者顧問。天琴計劃將成為中方牽頭的國際合作項目。

南都：天琴計劃需哪些人才？

羅俊：我們需要很多方面的技術和人才，包括物理、材料、光學、航空航天、自動控制、機械、精密測量等等。有了天琴計劃的牽引，我們將培養一批務實進取、追求卓越的年輕人才。從某種意義上來，天琴計劃比阿波羅計劃要困難。

天琴計劃技術哪些可轉民用？

將帶來技術質的飛躍，對我國技術創新引領作用將非常明顯

南都：中國引力波探測研究一度中斷，中大此前也對引力波進行了很長時間的研究，但是陳嘉言教授過世后一度中止了。

羅俊：其實中大以前用的是鋁棒探測器，靈敏度不足，難以探測到引力波信號，除非有超新星爆炸。而且當時中國還缺乏經濟基礎支持。現在，我們認為開展天琴計劃是天時、地利、人和。現在是政府有決心，科學家有興趣，而且做天琴計劃是一群科學家的興趣，它就會一直做下去。中國經過了幾十年的發展和積累，國家對基礎研究的重視程度以及投入都是前所未有。這批科學家趕上了這個時代，中國現在有了這種從事基礎科學研究的氛圍，讓中國科學家安心做感興趣的科研。

南都：天琴計劃是否也有利於中國科技走向世界，有助於提升科技水平，而且有重大突破？

羅俊：是的。天琴計劃是與國際上頂尖的科學家、頂尖的科研技術部門進行交流，全世界最尖端最好的相關技術到這裏整合。它將改變中國在國際科技界的形象，吸引全世界最優秀的科學家一起工作實現共同目標。

南都：LIG O的發現令人振奮，有人這對於基礎研究是一大好事。以前大家會覺得做基礎研究不好就業。LIG O給大家帶來了全新的視角。

羅俊：是的，它是一個很好的示範。實際上中國到了今天的發展階段，大家不是都那麼功利。應該天琴計劃不為功利，但是它也有可能是最大的功利。但天琴計劃的實施時間比較長，因此需要各方有足夠的耐心。中方牽頭對我國技術創新的引領作用將非常明顯。比如，未來，我們可以提供頻率非常穩定的激光光源，非常精確的控制體系。用這樣的衛星平台拍出來的照片沒有抖動，圖像會更加清晰。因此做天琴計劃研究得到的是相關技術質的飛躍。

南都：天琴計劃有哪些部分可以轉為民用？

羅俊：實際上，天琴計劃不僅僅是基礎研究，天琴計劃發展起來的關鍵技術可用於很多領域，如精確測量地球重力場，使我們對地球有更加深刻的了解，了解水資源、礦資源的分佈與變化。再比如，天琴計劃的關鍵技術就是精確測量距離，兩顆星之間的距離，兩個相差10萬公里的衛星之間的距離變化，就算比一個原子小，我們也要測算出來。這種技術可廣泛應用於精密測量領域。

時間表

“天琴計劃”分四步走

預期執行期為2016-2035年

2016-2020年 完成月球/深空衛星激光測距、空間等效原理檢驗實驗和下一代重力衛星實驗所需關鍵技術研發。主要研發成果包括：新一代月球激光測距反射器、月球激光測距台站、高精度加速度計、無拖曳控制（包含微推進器）、高精度星載激光干涉儀、星間激光測距技術等；

2021-2025年完成空間等效原理檢驗實驗和下一代重力衛星實驗工程樣機，並成功發射下一代重力衛星和空間等效原理實驗衛星。主要研發成果包含：超靜衛星平台、高精度大型激光陀螺儀，以及進一步提高加速度計、無拖曳控制（包含微推進器）、高精度星載激光干涉儀、星間激光測距等技術；

2026-2030年完成空間引力波探測關鍵技術，完成衛星載荷工程樣機；

2031-2035年進行衛星系統整機聯調測試、系統組裝，發射空間引力波探測衛星。

科普解答

中大天文與空間科學研究院院長李淼：

天琴要放三顆衛星當自己的望遠鏡

天琴計划到底是什麼？

◎ 天琴計劃的三顆衛星是什麼？

我們平常用望遠鏡看太空。天琴計劃放上天的三顆衛星就相當於我們的望遠鏡。只是它是引力波的望遠鏡。

◎ 三顆衛星一定能捕捉到引力波嗎？

LIG O做了20多年，他們也是把技術升級后才捕捉到這個引力波。他們能探測到，就明只要技術達到，就能保證探測到引力波。

◎ 要達到何種精度才能探測到引力波？

LIGO目前做到的就是10-21，也就是，測量的距離要精確到10-21。這是非常高的精度。因為引力波非常微弱，改變距離非常小。打個比方，有人推了你一把，力氣挺大的。但是如果一個嬰兒推了你一把就不同了。引力波生的距離變化很小。

◎ 為什麼要在天琴上做空間等效原理檢驗試驗？

等效原理就是愛因斯坦廣義相對論最重要的原理。假如你在電梯裏突然斷電了，電梯開始自由落體下落。你在電梯不再感到任何重力。天琴計劃的第二步，即一顆衛星做的是類似電梯的自由落體。它是按照圓周的軌道進行下落。在這個空間，你可以做慣性物理研究的很多事情。按照愛因斯坦的理論，在重力場沒有運動的參照系，時間和空間是彎曲的。我們要進行嚴格的檢驗。

◎ 天琴計劃與中國另一個引力波探測項目太極有何不同？

太極更像LISA，它是繞太陽轉。天琴的衛星是繞地球轉。

天琴計劃有多牛？

◎ 為什麼天琴計劃能嚴格驗證愛因斯坦理論？

按照愛因斯坦理論引力波是按照光速運動。現在LIGO就是假定引力波以光速到達地球？但是到底是不是真的以光速到達地球呢。天琴計劃就可以檢驗。因為我們可以用光學手段看到我們的目標對象雙星系統。

◎ 天琴計劃能探測到多大質量的黑洞？

由於我們探測低頻段的引力波，因此我們能探測到比LIGO更大質量的黑洞。我們可以探測到的範圍非常大。比如一個黑洞大小可以到十幾萬公里，相當於幾萬個太陽質量以上的黑洞，我們都能探測到。當有東西掉進黑洞或者有東西繞黑洞轉，我們就能探測到。

出品：南方都市報科學新聞工作室

主持：陳養凱

統籌：李湘瑩

采寫：南都首席記者 薛冰妮