中科院太極計(jì)劃：到太空尋找引力波

猴年春節(jié)已經(jīng)過(guò)去，但春節(jié)期間“刷屏”的科學(xué)大事件——引力波，余溫尚存。

就在前不久，中國(guó)科學(xué)院首次披露了一項(xiàng)宏偉的科學(xué)項(xiàng)目——空間太極（Taiji）計(jì)劃，預(yù)計(jì)在2030年前后發(fā)射引力波探測(cè)衛(wèi)星組，進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測(cè)。

那么，中科院祭出的這位“太極推手”究竟有何高招？它能否一舉將中國(guó)推向引力波研究的最前沿？

三星探空 承載中國(guó)科研夢(mèng)

“引力理論的空間檢驗(yàn)蘊(yùn)含著自然科學(xué)的重大突破，中國(guó)科技界應(yīng)在這方面逐步產(chǎn)生重要貢獻(xiàn)。” 太極計(jì)劃首席科學(xué)家、中科院院士胡文瑞說(shuō)。

雖然是剛剛向公眾揭開(kāi)神秘面紗，但太極計(jì)劃的醞釀和前瞻布局，其實(shí)早在引力波被發(fā)現(xiàn)數(shù)年前就開(kāi)始了。

2008年由中科院發(fā)起，中科院多個(gè)研究所及院外高?？蒲袉挝还餐瑓⑴c，成立了中科院空間引力波探測(cè)論證組，開(kāi)始規(guī)劃我國(guó)空間引力波探測(cè)在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)的發(fā)展路線圖。

2012年中科院空間引力波探測(cè)工作組成立，經(jīng)過(guò)幾年的努力，目前已形成了一支以中科院科研人員為主的空間太極計(jì)劃工作組。已有來(lái)自科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)的十多個(gè)單位參與到空間太極計(jì)劃中。胡文瑞坦言，中科院做這件事的初衷，就是“要搞前沿、創(chuàng)新的科學(xué)研究”。

隨后，在中科院先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)空間科學(xué)預(yù)先研究項(xiàng)目連續(xù)三期的資助下，工作組組織了各種學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，在引力波源的理論及探測(cè)研究和衛(wèi)星技術(shù)研究上取得了諸多進(jìn)展。目前，空間引力波探測(cè)已列入中科院空間2050年規(guī)劃。

對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)令人興奮的大計(jì)劃。太極計(jì)劃將發(fā)射由位于等邊三角形頂端三顆衛(wèi)星組成的引力波探測(cè)星組，用激光干涉方法進(jìn)行中低頻波段引力波探測(cè)。它的主要科學(xué)目標(biāo)是觀測(cè)雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合時(shí)產(chǎn)生的引力波輻射，以及其它的宇宙引力波輻射過(guò)程。

太極計(jì)劃的衛(wèi)星將采用無(wú)拖曳技術(shù)，星組中衛(wèi)星間距300萬(wàn)公里，激光功率約2瓦，望遠(yuǎn)鏡口徑約0.5米，加速度噪音、測(cè)距精度等技術(shù)指標(biāo)總體上優(yōu)于歐洲空間局LISA計(jì)劃的要求，而頻率范圍覆蓋了LISA的低頻和日本DECIGO計(jì)劃的中頻。

除了直接劍指引力波外，太極計(jì)劃所涉及的學(xué)科領(lǐng)域之廣、前端技術(shù)之多，簡(jiǎn)直令人咋舌。它涵蓋了物理學(xué)、天文學(xué)、宇宙學(xué)、天體物理、空間科學(xué)、光學(xué)，以及精密測(cè)量、航天技術(shù)、導(dǎo)航與制導(dǎo)、飛行器與軌道設(shè)計(jì)等學(xué)科，需要突破空間超遠(yuǎn)距離超高精度激光測(cè)量、超高靈敏度慣性傳感器，以及超高精度衛(wèi)星無(wú)拖曳控制等下一代高端空間技術(shù)。這個(gè)宏偉計(jì)劃的設(shè)計(jì)和實(shí)施再次體現(xiàn)了中科院做為科技國(guó)家隊(duì)的綜合實(shí)力。

在胡文瑞看來(lái)，這些技術(shù)對(duì)于提升我國(guó)空間科學(xué)和深空探測(cè)的技術(shù)水平具有重要意義，對(duì)慣性導(dǎo)航、地球科學(xué)、高精度衛(wèi)星平臺(tái)建設(shè)等應(yīng)用領(lǐng)域也將發(fā)揮積極的作用。

太空：更大的舞臺(tái)

此次發(fā)現(xiàn)引力波的美國(guó)LIGO（激光干涉引力波觀測(cè)站）是基于地面的觀測(cè)系統(tǒng)，多年來(lái)經(jīng)過(guò)不斷升級(jí)，靈敏度大大提高，最終第一次捕捉到了引力波信號(hào)。

“然而，基于地面的引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，受空間距離的限制和地球重力梯度噪聲的影響，無(wú)法探測(cè)低于10Hz的引力波，研究目標(biāo)較為有限。” 太極計(jì)劃首席科學(xué)家、中科院大學(xué)副校長(zhǎng)、中科院院士吳岳良說(shuō)，“因此，多國(guó)科學(xué)家都在加緊開(kāi)展空間引力波探測(cè)的研究計(jì)劃。”

在中國(guó)，太極計(jì)劃和另一項(xiàng)由中山大學(xué)發(fā)起的天琴計(jì)劃都在此列，但二者的科學(xué)目標(biāo)和探測(cè)手段卻各不相同。

“太極計(jì)劃主要是用激光干涉方法進(jìn)行中低頻波段引力波的直接探測(cè)，以觀測(cè)雙黑洞并和和極大質(zhì)量比天體并合時(shí)產(chǎn)生的引力波輻射，及其它的宇宙引力波輻射過(guò)程。太極計(jì)劃的衛(wèi)星組處于太陽(yáng)同步軌道。研究表明，這個(gè)軌道上的衛(wèi)星組在相距300～500萬(wàn)千米時(shí)，探測(cè)到的引力波是一個(gè)具有獨(dú)特波段的引力波，是其它實(shí)驗(yàn)所不能觀測(cè)的波段，可幫助我們理解中等和大質(zhì)量黑洞的結(jié)構(gòu)和形成以及它們?nèi)绾纬砷L(zhǎng)為超大黑洞的過(guò)程，因通常認(rèn)為星系的中心是一個(gè)中等和大質(zhì)量的黑洞。高精度的實(shí)驗(yàn)還可測(cè)量對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的修正，探測(cè)超越愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的量子引力理論。另外，結(jié)合微波背景輻射的測(cè)量，引力波成為探測(cè)早期宇宙的重要手段，這個(gè)波段的引力波研究可對(duì)應(yīng)于TeV能量標(biāo)度的早期宇宙，正好接近于目前大型對(duì)撞機(jī)所能達(dá)到的能量，是一個(gè)對(duì)新物理現(xiàn)象敏感的能量標(biāo)度。”吳岳良說(shuō)。

相比之下，天琴計(jì)劃發(fā)射的三顆衛(wèi)星在以地球?yàn)橹行模诟叨燃s１０萬(wàn)公里的軌道上運(yùn)行，構(gòu)成一個(gè)等邊三角形陣列，對(duì)一個(gè)周期為５.４分鐘的超緊湊雙白矮星系統(tǒng)ＲＸＪ０８０６．３＋１５２７產(chǎn)生的引力波進(jìn)行探測(cè)。

美國(guó)麻省理工學(xué)院物理學(xué)院研究員蘇萌也看好空間探測(cè)的優(yōu)勢(shì)。“空間衛(wèi)星探測(cè)一方面可以實(shí)現(xiàn)全天區(qū)的觀測(cè)，另一方面可以實(shí)現(xiàn)更寬頻段的觀測(cè)”。

蘇萌告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，空間探測(cè)理論上可能能夠看到兩種黑洞的并和過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，一種是兩個(gè)質(zhì)量差不多的黑洞并和，以及后期演化的宇宙學(xué)，也就是觀測(cè)黑洞后期是如何成長(zhǎng)；另外一種則是一個(gè)大質(zhì)量黑洞旁邊有恒星級(jí)黑洞掉進(jìn)去的天體變化過(guò)程。

集合了國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的積累以及與國(guó)外合作的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)空間探測(cè)所看到的天體物理起源與地面探測(cè)將完全不同，蘇萌也對(duì)空間探測(cè)能夠發(fā)現(xiàn)的信息表示出了興趣。在他看來(lái)，空間探測(cè)有可能給基礎(chǔ)物理學(xué)帶來(lái)重大突破。“對(duì)廣義相對(duì)論的檢驗(yàn)，對(duì)天體物理過(guò)程，比如銀河系內(nèi)或者說(shuō)從高紅移到中紅移中間黑洞的演化等，都有可能實(shí)現(xiàn)突破。”

中國(guó)的，世界的

空間引力波探測(cè)和研究需要許多先進(jìn)技術(shù)。如在空間激光干涉儀方面需要穩(wěn)頻和鎖相的大功率激光器和激光干涉系統(tǒng)；需要用無(wú)拖曵技術(shù)控制的高精度光學(xué)平臺(tái)；需要測(cè)量超低重力水平的慣性傳感器；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(shí)驗(yàn)設(shè)備一體化的衛(wèi)星研制。

“我國(guó)目前的技術(shù)能力與國(guó)際先進(jìn)水平還有一定的差距，這種差距可以通過(guò)良好的國(guó)際合作得到一定的彌補(bǔ)。”吳岳良說(shuō)，“目前太極計(jì)劃工作組與國(guó)際同行已建立了廣泛的聯(lián)系。”

因此，太極計(jì)劃將是一項(xiàng)中歐雙方參與的國(guó)際合作計(jì)劃。

胡文瑞告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，太極計(jì)劃目前開(kāi)展兩個(gè)方案的研究。方案之一是參加歐空局的eLISA雙邊合作計(jì)劃，今年秋天將召開(kāi)第三次雙方科學(xué)家會(huì)議，完成雙邊合作的可行性報(bào)告，然后各自向主管部門(mén)呈報(bào)，由雙方主管部門(mén)審批后執(zhí)行。

方案之二是發(fā)射一組中國(guó)的引力波探測(cè)衛(wèi)星組，與2035年左右發(fā)射的eLISA衛(wèi)星組同時(shí)邀游太空，進(jìn)行低頻引力波探測(cè)，這一方案擬于2033年前后發(fā)射，實(shí)現(xiàn)我國(guó)大型先進(jìn)科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃的突破，屆時(shí)中國(guó)與歐洲將同時(shí)在空間獨(dú)立進(jìn)行引力波探測(cè)，互相補(bǔ)充和檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。

胡文瑞告訴記者，按照歐空局規(guī)定，所有重大的項(xiàng)目的參與方需要投入20%。第一個(gè)方案中，歐空局投入經(jīng)費(fèi)為10億歐元，所以中方需要出資2億歐元。第二個(gè)方案中，又有兩個(gè)規(guī)劃，一個(gè)規(guī)劃是中歐雙方各出資10億歐元，形成兩組獨(dú)立的衛(wèi)星組，各采用兩路激光干涉。另一規(guī)劃是中國(guó)發(fā)射的三顆衛(wèi)星組，采用雙向激光干涉，共六路激光干涉，可直接相互檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。

    “大科學(xué)工程的基礎(chǔ)科學(xué)研究必須開(kāi)展國(guó)際合作，我們參與歐空局的項(xiàng)目，不僅可以學(xué)習(xí)到他們?nèi)陙?lái)積累的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，同時(shí)，我們也希望能夠組建自己的衛(wèi)星組，對(duì)測(cè)量結(jié)果能夠相互進(jìn)行驗(yàn)證。” 吳岳良告訴記者。

在探測(cè)引力波的衛(wèi)星計(jì)劃方面，歐洲已經(jīng)開(kāi)展了近30年的研究。1993年，歐空局首先提出激光干涉空間天線（LISA）計(jì)劃，進(jìn)行空間引力波測(cè)量。在最初的設(shè)計(jì)中，該天線陣列由在太陽(yáng)軌道上的三個(gè)探測(cè)器組成，三個(gè)探測(cè)器之間的距離500萬(wàn)千米，采用雙向激光干涉，共六路激光干涉。后來(lái)受經(jīng)費(fèi)的限制，修改了方案，三個(gè)探測(cè)器之間采用兩路激光干涉，同時(shí)該計(jì)劃更名為eLISA，已被歐空局正式列入L3計(jì)劃。2015年底，歐空局發(fā)射了關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星LISA探路者（LISA-Pathfinder）。

空間太極計(jì)劃工作組每年組織其成員參加eLISA項(xiàng)目召開(kāi)的年會(huì)，進(jìn)行交流探討。另外，空間太極計(jì)劃工作組已與eLISA 項(xiàng)目的主要牽頭單位德國(guó)馬普學(xué)會(huì)引力物理研究所和愛(ài)因斯坦研究所組織召開(kāi)了兩次雙邊會(huì)議，并形成了雙方合作的備忘錄。事實(shí)上，空間太極計(jì)劃部分儀器設(shè)備的研制水平和技術(shù)已基本達(dá)到eLISA項(xiàng)目的要求。

    “我們現(xiàn)在要加快步伐了。”胡文瑞說(shuō)，最終采取哪個(gè)方案，將取決于國(guó)家的決心和投入，但無(wú)論是哪種方案，最終都將與歐空局合作，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合開(kāi)展引力波探測(cè)研究。中國(guó)科學(xué)家有能力在探索未知世界的奧秘中展現(xiàn)我們的智慧和才華。（丁佳 王佳雯 倪思潔）