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中大校长罗俊揭秘天琴计划与LIGO

百科知识中国仪表网2016年02月19日 09:56人气:14340

  【中国仪表网 百科知识】聆听宇宙之声,中国有何作为?目前中国的引力波研究主要有两个方向,一是由中山大学领衔的“天琴计划”,一是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”。前者是去太空捕捉引力波,后者是在地面探测原初引力波,是两个完全不同的研究方向和科学目标。
  
 

  2月15日,中山大学校长、中国科学院院士罗俊接受新华社等媒体采访时介绍了天琴计划的具体的内容以及目前的准备情况。罗俊认为,中国应该在引力波探测上有一席之地,建设中国自己的引力波天文台。天琴计划将成为中方主导的国际合作项目,集聚全世界最优秀的科学家朝着同一个目标努力。
  
  相比此前的引力波探测研究遇到的种种困难,罗俊认为,现在做引力波探测研究正是天时、地利、人和。国家对基础研究的重视程度与投入前所未有,而且做天琴计划是一群科学家的兴趣,相信它就会一直做下去。
  
  引力波被探测到有何意义?
  
  
开辟了观测宇宙的新窗口
  
  媒体:您能解释一下引力波的本质与光有什么区别吗?
  
  罗俊:光波是时空标架里一个物质也就是电磁波的运动。引力波是时空标架本身在发生波动。打个比方,光波就像房子有人在走动,引力波就如同房子的架构自身在波动,当然这个波动非常小。但是这两者完全不一样。
  
  媒体:您认为引力波被探测到有何意义?
  
  罗俊:LIG O提出想法是70年代,当时激光刚刚出现。他们做了近20年的技术储备在1991-1992年才立项。从科学意义角度讲,它证实了爱因斯坦广义相对论的最后一项预言。
  
  引力波一旦探测到为我们开辟了观测宇宙的新窗口。我们知道观测宇宙有很多手段,你用可见光波段、红外波段、紫外波段、X射线观测,不同的波段观测到宇宙的图像是不一样的。你肉眼能看到的闪烁星星在天空布局,但用红外、X射线观测又不一样。引力波让我们从另外一个视角观测宇宙,使得我们对宇宙的演化的了解更加深刻。宇宙在演化过程中,这个过程中会有不同频段的引力波,你可以追溯到早期的宇宙,也可以看得到恒星的形成过程,看到一个星的衰亡,或者黑洞的并合出现的引力波。
  
  通过引力波探测可以了解宇宙过去、现在发生什么。这是了解宇宙的新的窗口与通道。它的意义非常重大。中国应该有一席之地,有自己的引力波探测,也应该有引力波天文台。不管国外是否探测到,我们都要做引力波探测。
  
  天琴计划与美国的LIGO有何区别?
  
  
天琴探测低频引力波可看到更丰富的天文事件
  
  媒体:中国布局引力波探测有何意义?天琴计划与美国的LIG O有什么区别?
  
  罗俊:天琴计划的引力波探测会有光学辅助手段,确定引力波源在什么地方,通过天文观测已确定的双星系统,清楚它们的质量、方位、距离、相互之间绕行的轨道频率等。而LIGO是通过他们探测到的引力波信号反演推断存在两个黑洞的合并发生。但他们没另外的独立方式进行确认,如没有光学辅助手段确认,这种方式叫模型依赖。天琴计划的引力波探测有光学天文望远镜作为辅助手段对引力波源的存在进行确认。
  
  媒体:还有其他区别吗?
  
  罗俊:我们的探测重点不同。我们探测低频段引力波,LIG O探测高频段引力波。我们探测是连续的引力波,可以持续验证,LIG O探测的是短时间的引力波。我们是对一个天文已经观测到的双星系统进行观测,把我们的实验设备调到相应的状态,对准它来检测引力波信号,而非短时间的。
  
  媒体:那么探测低频的引力波与探测高频的引力波是否有可比性?
  
  罗俊:低频与高频的区别就是大家看到宇宙不同的物理现象和物理进程。不同的频段是不同的窗口,不同的频段没有先进落后之分,就如同你推开不同的窗看到不同的风景,不同频段的引力波探测将看到不同的天文事件。低频引力波反映出来的东西更多元更丰富。高频引力波则大多是宇宙中更极端的事件。而高频引力波是大质量的天体非常剧烈运动才能产生,通常只有中子星或黑洞等天体相撞。然而,宇宙中更多的天文事件不是这种极端事件。往往是两个星相隔较远绕行,持续长时间运动。当然,LIGO的引力波探测发现是人类第一次直接观测到引力波,意义非常重大。
  
  媒体:美国宇航局(N ASA)与欧空局(ESA)在2001-2011年间合作开展LISA项目,原计划发射三颗卫星形成臂长500万公里的等边三角形,在地球后方约0.5亿公里的地方跟随地球绕太阳运行。2011年N ASA退出合作。欧洲科学家提出臂长100万公里,将LISA中三颗全同卫星改为一颗母星带两颗伺服子星。天琴计划与LISA有何区别?
  
  罗俊:在目前讨论的初步概念中,天琴将像LISA一样,采用三颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列,每颗卫星内部都包含一个或两个极其小心悬浮起来的检验质量。卫星上将安装推力可精细调节的微牛级推进器,实时调节卫星的运动姿态,使检验质量始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。这样检验质量将只在引力的作用下运动,而来自太阳风或太阳光压等细微的非引力扰动将被卫星外壳屏蔽掉。高精度的激光干涉测距技术将被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化,从而获得有关引力波的信息。与LISA或eLISA不同的是,天琴的卫星将在以地球为中心、高度约10万公里的轨道上运行,针对确定的引力波源进行探测。这样能避免测到引力波信号却无法确定引力波源的问题,且有望帮助节约大量卫星发射方面成本。天琴实验技术方案会在未来的研究中进一步优化,以实现其科学价值最大化。
  
  媒体:天琴计划是否也与LISA计划实现目标的时间相近?
  
  罗俊:是的,天琴计划用15- 20年的时间上天。LISA预计于2034年发射升空,时间上差不多。
  
  天琴计划具备足够的 技术和积累吗?
  
  
已有20年技术储备,LISA项目  顶尖教授成为天琴顾问
  
  媒体:天琴计划具备足够的技术和积累吗?
  
  罗俊:天琴计划不是今天才抛出来的。实际上,在十二五规划时,国内不少科学家就形成共识,建议我报引力波大科学工程。我当时说,引力波探测是第二期。第一期是测地,第二期才是观天。我们为了天琴计划做了20多年的技术储备。因为要做天琴计划开展空间引力波探测需要尖端的探测技术。
  
  首先是星间激光测距。也就是两颗星之间用激光干涉的方法精确测量距离。这一点我们有了很多年积累。其次,惯性传感器,我们对此也做了10多年的技术积累。这一技术曾在2006年搭载卫星进行试验。2013年第二次卫星搭载。
  
  媒体:天琴未来要实现目标需要哪些支持?
  
  罗俊:天琴计划要15-20年研究时间,希望国家有长时间的支持。天琴计划希望成为国家发改委支持下的重大科技基础设施建设项目,也就是“大科学工程”。如成为大科学工程,天琴计划就有了平台建设的第一批投入,建成后每年还有一定数量的运行费。
  
  媒体:天琴计划与普通的大科学工程有何不同?
  
  罗俊:通常大科学工程是
  
  提供对外服务的公共平台,但是天琴是专门的科学工程,有自己独特明确的科学目标。它将是一大批科学家、工程师在这个平台上开展工作,最终目标是上天做引力波探测,不需要对外的共享服务。天琴计划不是以出文章为目标,而是以科学目标作为牵引。因此,天琴计划大科学工程的考评体系也不一样。
  
  媒体:现在国内外有哪些机构与天琴计划合作?
  
  罗俊:天琴计划庞大,应该是一个国家计划的科研行为,应该得到国家层面的支持,国内已有十多个大学和研究院所参与了天琴计划的工作。同时,天琴计划也是一个国际合作项目。LISA计划课题组的几位核心成员非常愿意与中国天琴计划开展合作。俄罗斯莫斯科大学几位教授已经参与合作,还有来自德国、意大利、法国的顶尖教授也希望成为天琴计划的合作者或者顾问。天琴计划将成为中方牵头的国际合作项目。
  
  媒体:天琴计划需哪些人才?
  
  罗俊:我们需要很多方面的技术和人才,包括物理、材料、光学、航空航天、自动控制、机械、精密测量等等。有了天琴计划的牵引,我们将培养一批务实进取、追求卓越的年轻人才。从某种意义上来说,天琴计划比阿波罗计划要困难。
  
  天琴计划技术哪些可转民用?
  
  
将带来技术质的飞跃,对我国技术创新引领作用将非常明显
  
  媒体:中国引力波探测研究一度中断,中大此前也对引力波进行了很长时间的研究,但是陈嘉言教授过世后一度中止了。
  
  罗俊:其实中大以前用的是铝棒探测器,灵敏度不足,难以探测到引力波信号,除非有超新星爆炸。而且当时中国还缺乏经济基础支持。现在,我们认为开展天琴计划是天时、地利、人和。现在是政府有决心,科学家有兴趣,而且做天琴计划是一群科学家的兴趣,它就会一直做下去。中国经过了几十年的发展和积累,国家对基础研究的重视程度以及投入都是前所未有。这批科学家赶上了这个时代,中国现在有了这种从事基础科学研究的氛围,让中国科学家安心做感兴趣的科研。
  
  媒体:天琴计划是否也有利于中国科技走向世界,有助于提升科技水平,而且有重大突破?
  
  罗俊:是的。天琴计划是与国际上顶尖的科学家、顶尖的科研技术部门进行交流,全世界最尖端最好的相关技术到这里集成。它将改变中国在国际科技界的形象,吸引全世界最优秀的科学家一起工作实现共同目标。
  
  媒体:LIG O的发现令人振奋,有人说这对于基础研究是一大好事。以前大家会觉得做基础研究不好就业。LIG O给大家带来了全新的视角。
  
  罗俊:是的,它是一个很好的示范。实际上中国到了今天的发展阶段,大家不是都那么功利。应该说天琴计划不为功利,但是它也有可能是最大的功利。但天琴计划的实施时间比较长,因此需要各方有足够的耐心。中方牵头对我国技术创新的引领作用将非常明显。比如,未来,我们可以提供频率非常稳定的激光光源,非常精确的控制体系。用这样的卫星平台拍出来的照片没有抖动,图像会更加清晰。因此做天琴计划研究得到的是相关技术质的飞跃。
  
  媒体:天琴计划有哪些部分可以转为民用?
  
  罗俊:实际上,天琴计划不仅仅是基础研究,天琴计划发展起来的关键技术可用于很多领域,如精确测量地球重力场,使我们对地球有更加深刻的了解,了解水资源、矿产资源的分布与变化。再比如,天琴计划的关键技术就是精确测量距离,两颗星之间的距离,两个相差10万公里的卫星之间的距离变化,就算比一个原子小,我们也要测算出来。这种技术可广泛应用于精密测量领域。
  
  时间表
  
  “天琴计划”分四步走
  
  预期执行期为2016-2035年
  
  2016-2020年 完成月球/深空卫星激光测距、空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验所需关键技术研发。主要研发成果包括:新一代月球激光测距反射器、月球激光测距台站、高精度加速度计、无拖曳控制(包含微推进器)、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距技术等;
  
  2021-2025年完成空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验工程样机,并成功发射下一代重力卫星和空间等效原理实验卫星。主要研发成果包含:超静卫星平台、高精度大型激光陀螺仪,以及进一步提高加速度计、无拖曳控制(包含微推进器)、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距等技术;
  
  2026-2030年完成空间引力波探测关键技术,完成卫星载荷工程样机;
  
  2031-2035年进行卫星系统整机联调测试、系统组装,发射空间引力波探测卫星。
  
  科普解答
  
  中大天文与空间科学研究院院长李淼:
  
  天琴要放三颗卫星当自己的望远镜
  
  天琴计划到底是什么?
  
  ◎ 天琴计划的三颗卫星是什么?
  
  我们平常用望远镜看太空。天琴计划放上天的三颗卫星就相当于我们的望远镜。只是它是引力波的望远镜。
  
  ◎ 三颗卫星一定能捕捉到引力波吗?
  
  LIGO做了20多年,他们也是把技术升级后才捕捉到这个引力波。他们能探测到,就说明只要技术达到,就能保证探测到引力波。
  
  ◎ 要达到何种精度才能探测到引力波?
  
  LIGO目前做到的就是10-21,也就是说,测量的距离要精确到10-21。这是非常高的精度。因为引力波非常微弱,改变距离非常小。打个比方,有人推了你一把,力气挺大的。但是如果一个婴儿推了你一把就不同了。引力波产生的距离变化很小。
  
  ◎ 为什么要在天琴上做空间等效原理检验试验?
  
  等效原理就是爱因斯坦广义相对论最重要的原理。假如你在电梯里突然断电了,电梯开始自由落体下落。你在电梯不再感到任何重力。天琴计划的第二步,即一颗卫星做的是类似电梯的自由落体。它是按照圆周的轨道进行下落。在这个空间,你可以做惯性物理研究的很多事情。按照爱因斯坦的理论,在重力场没有运动的参照系,时间和空间是弯曲的。我们要进行严格的检验。
  
  ◎ 天琴计划与中国另一个引力波探测项目太极有何不同?
  
  太极更像LISA,它是绕着太阳转。天琴的卫星是绕着地球转。
  
  天琴计划有多牛?
  
  ◎ 为什么说天琴计划能严格验证爱因斯坦理论?
  
  按照爱因斯坦理论引力波是按照光速运动。现在LIGO就是假定引力波以光速到达地球?但是到底是不是真的以光速到达地球呢。天琴计划就可以检验。因为我们可以用光学手段看到我们的目标对象双星系统。
  
  ◎ 天琴计划能探测到多大质量的黑洞?
  
  由于我们探测低频段的引力波,因此我们能探测到比LIGO更大质量的黑洞。我们可以探测到的范围非常大。比如一个黑洞大小可以到十几万公里,相当于几万个太阳质量以上的黑洞,我们都能探测到。当有东西掉进黑洞或者有东西绕着黑洞转,我们就能探测到。
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