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看起来像太极的引力波到底是什么?

百科知识中国仪表网2016年02月18日 10:00人气:13458

  【中国仪表网 百科知识】这阵子最热的事件莫过于LIGO发现引力波了,很多人在茶余饭后都情不自禁地聊起来:你知道引力波吗?你感觉到引力波了吗?还有一些人则想得更远——引力波对我的生活有什么用?中国人什么时候才能发现引力波啊!
  
  当然,中国的科学家并不是吃闲饭的。
  
  2016年2月13日,中国科学院高能物理研究所发了条微博:“你知道吗?目前,我国主要有两大引力波探测项目:中科院高能所主导的‘阿里实验计划’和中山大学领衔的‘天琴计划’。一个是在地面上聆听引力波的音符,一个是到太空去捕捉引力波的声响。”
  
  紧随其后,2月16日,中国科学院举行“空间引力波探测与研究”媒体见面会,正式公布“太极计划”。
  


有图为证:“太极计划”媒体见面会现场
  
蝌蚪君/摄
  


“太极计划”的负责人:
  
微重力科学专家、中国科学院院士胡文瑞
  
中国科学院院士、中国科学院大学副校长、中国科学院卡弗里理论物理研究所所长吴岳良。
  
蝌蚪君/摄
  
  好嘛,阿里计划、天琴计划、太极计划——一出就出仨。
  
  Q1:既然都是引力波探测计划,这仨有什么不一样呢?
  
  先来看个表格。
  
探测计划
太极计划
天琴计划
阿里计划
项目类别
空间探测计划
空间探测计划
地面探测计划
主导单位
中科院
中山大学
中科院高能所
探测频段
中低频
中低频
低频
 
实施方案
 
中欧合作的国际合作计划,方案I是参加欧洲空间局的eLISA双边合作计划。方案II就是发射一组中国的引力波探测卫星组,与2035年左右发射的eLISA卫星组同时邀游太空,进行低频引力波探测。方案II拟于2033年前后发射,实现中国大型先进科学卫星计划的突破。
 
计划用20年时间,通过四个阶段实施,完成所有空间引力波探测所需的关键技术,发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。
 
利用阿里地区独特的地理气象条件,实现首次对北半球可见天区的原初引力波搜寻,是我国独具优势的引力波研究项目。主要使用一台微波波段的望远镜,通过极其敏感的探测元器件,排除地球大气和银河系的干扰,搜寻从137亿年前跨越整个宇宙传播到地球的宇宙微波背景辐射。
投资预算
未定
150亿
1亿
  
    
  光看表格可能还不太明白,我们挨个八一八。
  
  首先,名字不一样。
  
  当然不是!这么大的探测项目,名字当然不是随便起的。“天琴”顾名思义,是天上的——空间引力波探测计划,“阿里”则是扎根于中科院国家天文台西藏阿里观测站,是地面的——望远镜探测计划——跟阿里巴巴没有半毛钱关系!“太极”则是……额,这个不太能从字面看出来,不过你再瞅瞅LIGO的那个双黑洞,似乎发现了什么……
  
  事实上,“太极计划”是科学家们刚给它取的小名,你可记得蝌蚪君曾经提过——2008年,在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下,中科院多个研究所及院外科研单位共同成立了科学院空间引力波探测工作组,开始探索中国空间引力波探测的可行性。这一项目被列入中科院空间科学2050年规划。
  
  没错!这个“科学院空间引力波探测工作组”就是“太极计划”的前身,所以它也属于天上的——空间引力波探测计划。
  
  小结一下,“天琴计划”和“太极计划”同属空间引力波探测计划,“阿里计划”则是立足地面设备的探测计划。
  
  Q2:要找的都是引力波,有什么不一样吗?
  
  既然是波,总要分大小,有高低。引力波更为特别,它的频率很宽,最低的只有亿亿分之一赫兹。
  
  频率最低的是原初引力波,它的波长跟整个宇宙的尺度差不多大,所以只能通过对宇宙大爆炸后遗留的光子场信号,即宇宙微波背景辐射来寻找它。——“阿里计划”主要寻找的就是原初引力波。
  
  “阿里计划”使用的是一台微波波段的望远镜,通过极其敏感的探测元器件,排除地球大气和银河系的干扰,搜寻从137亿年前跨越整个宇宙传播到地球的宇宙微波背景辐射。它寻找的是一种特殊的偏振信号,称之为B模式。
  
  要做到这点也不容易,望远镜为了尽量避开环境和大气的干扰,放在海拔5100多米的西藏阿里地区狮泉河附近的山顶。大气越稀薄、水汽含量越少,干扰就越小,才越有希望看清原初引力波留下的痕迹。这里海拔高、云量少、水汽低、透明度高,观测条件堪比美国南极科考站。
  
  其次是大质量黑洞并合时发出的引力波,对应频率在百万分之一赫兹到亿分之一赫兹之间。这种事件往往发生在星系与星系相撞的后期。科学家往往利用校准后的毫秒脉冲星,作为校准光源,在地面上用大型地面射电望远镜作为探测器,来观测这种引力波。
  
  需要注意的是,这些都属于低频引力波。
  
  中频波段的引力波源主要是中等质量的致密双星(黑洞、中子星、白矮星),以及宇宙大爆炸早期(10-34秒以后)产生的引力波。
  
  致力于空间探测的“太极”和“天琴”都是针对中低频段的引力波。
  
  而LIGO此次发现的引力波,属于高频引力波。而且,所有的地面探测局限于臂长,再长也突破不了高频范围,只能观测小质量黑洞并合发出的引力波。
  
  所以,当我们还在担心“LIGO都发现了引力波中国还有啥好玩的”,科学家可以负责任的告诉你:高频好玩的也就那么一丢丢,低频才是重头戏好伐?!低频包含的内容比高频更加丰富,可研究的问题更多——如果低频能做成功,那就不是一个诺奖了!
  
  所以,LIGO的发现就相当于交响曲的序曲,证实了引力波的存在,可是主调还在后面呢!
    
  而且,学如逆水行舟,不进则退。人家歪果仁都搞明白的事情,你不研究你就落后了。
  
  那么,悄悄地说,我们离国际水平还差多远?
  
  举个例子,引力波探测关键的核心技术就是地球微重力测量,中国能达到的微重力水平才-6、-8,而上星的话需要-11~-12,我们要学的还太多。
  
  但是,千万不要气馁!
  
  因为我们的差距已经在缩小了。以欧航局搞的eLISA为例,同样是空间引力波探测项目,同样是三颗卫星计划,虽然我们目前不能全面的达到eLISA水平,但是局部已经可以满足,比如eLISA所需要的望远镜,完全可以中国造。但要造中国自己的探测器,至少还要20年。
  
  所以“太极计划”做了两手准备——
  
  A、中国作为主要参与方,加入欧航局的eLISA计划;
  
  B、不加入eLISA,中国自己发卫星搞探测。
  
  选择A方案我们可以从国际合作中学到更多,成功率更大;
  
  选择B方案就是坚持“madeinChina”,成功率不好说。
  
  话说回来,地有多大产,还要看预算。LIGO靠的是美国国家科学基金会的长年支持,欧洲的研究也已经二三十年了,中国的空间科学还是很薄弱。就像我们教育孩子一样,引力波探测也是一个逐步建立知识体系的过程。
  
  如何能在基础研究上保证可持续呢?必须得花钱。
  
  科学家们已经表态了,我们要体谅国家困难,一步一步的来。但是这一步,必须要走。
  
  最后一个问题,是大家最关心的。
  
  引力波会对我们的生活有什么影响?
  
  这一点,科学家们也可以负责任的告诉你:目前而言,主要靠幻想。
  
  以前人类的视野可能局限于微观世界,引力波可以让我们对宏观世界有更多了解。
  
  就像我们丈量世界的尺子一样,以前是米、微米(100万分之一米),后来是纳米(10亿分之一米),今后是皮米(10000亿分之一米),引力波就是推动皮米探测技术。这项技术所产生的影响不可估量。如果有一天,人类真要星际穿越,那引力波就可以帮助我们,在浩瀚的宇宙中看清前路,看得更远。
(本文来源:蝌蚪五线谱转载请注明出处
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