热门资讯

华中大领衔！向世界介绍中国空间引力波探测计划

大学作者：华中科技大学 2021-09-23 20:17:44

《自然-天文》（Nature Astronomy）9月15日

发表华中科技大学为第一单位

物理学院龚云贵教授、罗俊院士

上海交通大学及扬州大学王斌教授

共同撰写的论文

“中国空间引力波探测计划的概念与现状”

首次对中国空间引力波做完整系统的介绍

跟着小科

一起聆听龚云贵教授

带来的一堂引力波探测现场课

Q&A

为你揭开神秘引力波的面纱

龚云贵，华中科技大学二级教授、博士生导师，美国贝勒大学客座教授。现主要从事相对论引力与宇宙学的研究工作，在PRL等国际高水平学术期刊上发表了130余篇SCI学术论文，入选了全球前10万科学家及2020中国高被引学者。

Q：为什么中国的“天琴计划”和“太极计划”被国际学界如此关注呢？

A：引力波探测是世界科学界公认的难度最大的尖端科技之一。2016年2月，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布，在2015年9月14日人类首次直接探测到了引力波，这是21世纪物理学最重大的发现。学界普遍认为，引力波的发现是物理学和天文学的一项重大突破。它开启了人类探索宇宙的一扇大门，甚至可能揭开宇宙诞生早期的奥秘。

目前，发达国家在引力波探测的国际竞争已经到了白热化程度。为了进入引力波这一国际最前沿、最基本的科学研究竞争队列，中国科学家独立提出了“天琴”与“太极”两个空间引力波探测计划。

空间引力波探测计划目前包括欧美联合的LISA及日本的DECIGO。这两个计划都有几十年的历史，被国际同行熟知。而中国科学家独立提出的“天琴计划”及“太极计划”由于提出的时间短，相关成果积累相对少一些，国际同行了解的也少。《自然-天文》的主编在了解我们的相关研究成果后，认为有必要向国际同行介绍中国的引力波计划及其进展，向国际学界展示中国形象，发出中国声音。更重要的是，我们也想借此呼吁在“引力波探测”这一国际竞争白热化的领域，达成更紧密的国际合作。

Q：请介绍一下“天琴计划”和“太极计划”？

A：2014年3月，罗俊院士在华中科技大学的一次国际会议上首次提出、以中国为主导的国际空间引力波探测计划——天琴计划。其实早在1994年，他就在华中科技大学引力中心布局空间引力波探测研究，多年来积累了若干技术，储备了一批优秀的人才。

“天琴计划”示意图

“天琴计划”的思路是在2035年前后，向距地球10万公里轨道上发射三颗卫星，围绕地球组建等边三角形卫星阵列。它们将像在太空中架了一把竖琴，宇宙中的引力波传过来，则会拨动“琴弦”。通过激光测距等技术测得三颗卫星的距离和位置变化，就能获取该引力波数据，并进行天体物理、宇宙学及基础物理前沿研究。

“太极计划”示意图

“太极计划”是中国科学院2016年提出的，类似欧美“LISA计划”，“太极计划”的三星编队轨道是以太阳为中心，设计干涉臂臂长即卫星间距300万公里。“太极计划”对卫星的稳定性提出了更高要求，3颗卫星必须构成超稳超静平台。

Q：“天琴计划”“太极计划”和“LISA计划”有何异同？

A：目前中国对空间引力波探测的投入力度大，前瞻性研究进展迅猛，与欧美的距离正不断缩小。围绕地球轨道进行探测的“天琴计划”方案被称为中国方案，‘太极计划’和欧美的‘LISA计划’类似，是运行在太阳轨道周围。”

“天琴计划”和“太极计划”都有其优势和劣势。“太极计划”围绕太阳轨道，虽然成本更高，但它能探测到更大质量的黑洞双星所发出的更低频率的引力波信号。而“天琴计划”由于靠近地球，从发射到入轨预期相对时间较短，更短的激光干涉臂在偏高频端的探测灵敏度高，对于研究中等质量黑洞、以及联合地面探测实验进行多波段引力波研究都非常重要。

“天琴计划”更适合探测几千个太阳质量的种子黑洞，而“太极计划”则更适合探测大质量黑洞。单个引力波探测器对于不同空间方位的敏感度不同，研究的物理内容不一样，它们之间在探测精度及频段上可以形成互补。