目前，我國(guó)主要有兩個(gè)大型引力波探測(cè)項(xiàng)目，一個(gè)是由中科院高能物理研究所主導(dǎo)的“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”，一個(gè)是由中山大學(xué)領(lǐng)銜的“天琴計(jì)劃”。阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃是在地面上聆聽(tīng)引力波的音符，天琴計(jì)劃則是到太空去捕捉引力波的聲響。
早在10年前，中科院國(guó)家天文臺(tái)就在西藏阿里建設(shè)觀測(cè)站，如今已頗具規(guī)模。去年7月23日，天琴計(jì)劃啟動(dòng)，完成全部四個(gè)子計(jì)劃大約需要20年。
美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)直接探測(cè)到引力波的新聞發(fā)布會(huì)，在全球引起轟動(dòng)。這是一個(gè)科學(xué)史上的里程碑，如果說(shuō)電磁波的發(fā)現(xiàn)，讓人類從此“看見(jiàn)”了宇宙，那么引力波則讓人類進(jìn)入了“聆聽(tīng)”宇宙的新時(shí)代。
以此為開端，真正的引力波世界正如同一首氣勢(shì)恢弘的宇宙交響樂(lè)，等待著科學(xué)家們不斷發(fā)現(xiàn)并演繹出人類認(rèn)識(shí)宇宙、利用自然的新篇章。
圖為西藏阿里天文臺(tái)。“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”的原初引力波觀測(cè)設(shè)備將在此安裝。
(中科院高能物理研究所供圖)
引力波“音符”豐富多彩
LIGO聽(tīng)到的是一個(gè)怎樣的引力波“音符”？那是兩個(gè)恒星級(jí)黑洞相撞融合，一個(gè)新的更大質(zhì)量的黑洞誕生，并發(fā)出了新生的第一聲“啼哭”。這聲“啼哭”隨著宇宙膨脹，傳到了13億年后的地球。這個(gè)“音符”的頻率覆蓋35到250赫茲。
其實(shí)，引力波的頻率很寬，最低的只有億億分之一赫茲。美國(guó)麻省理工學(xué)院物理系研究員蘇萌介紹，目前引力波根據(jù)其產(chǎn)生源不同，主要分四種，分布在不同頻率上，針對(duì)不同頻率，科學(xué)家采取了不同的探測(cè)手段。
頻率最低的是原初引力波，它的波長(zhǎng)跟整個(gè)宇宙的尺度差不多大，所以只能通過(guò)對(duì)宇宙大爆炸后遺留的光子場(chǎng)信號(hào)，即宇宙微波背景輻射，來(lái)尋找它。“2014年3月，美國(guó)哈佛史密松天體物理中心宣稱在南極觀測(cè)到了原初引力波，但隨后又發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)了。”蘇萌說(shuō)，要從雜亂無(wú)章的各種引力波中辨認(rèn)出帶有宇宙大爆炸初期引力波留下的獨(dú)特標(biāo)記，的確太困難，需要不斷發(fā)展靈敏度更高的實(shí)驗(yàn)來(lái)找尋。
其次是大質(zhì)量黑洞并合時(shí)發(fā)出的引力波，對(duì)應(yīng)頻率在百萬(wàn)分之一赫茲到億分之一赫茲之間。這種事件往往發(fā)生在星系與星系相撞的后期。
科學(xué)家往往利用校準(zhǔn)后的毫秒脈沖星，作為校準(zhǔn)光源，在地面上用大型地面射電望遠(yuǎn)鏡作為探測(cè)器，來(lái)觀測(cè)這種引力波。
當(dāng)頻率提升到十萬(wàn)分之一到一赫茲，對(duì)應(yīng)的信號(hào)來(lái)源更為豐富，比如中子星碰撞、超新星爆炸等產(chǎn)生的引力波。對(duì)應(yīng)這個(gè)頻率的探測(cè)手段非常酷炫：空間衛(wèi)星陣列。歐洲空間局著名的LISA (光學(xué)干涉空間陣列)，去年年底剛將首顆技術(shù)驗(yàn)證星送上天，預(yù)計(jì)用20年左右時(shí)間完成。而我國(guó)則有中山大學(xué)的“天琴計(jì)劃”。
引力波的高頻段是幾十到幾千赫茲，這就是這次LIGO—Virgo合作組宣布的，主要的信號(hào)源是中子星、恒星級(jí)黑洞等致密天體組成的雙星系統(tǒng)。探測(cè)手段就是地面數(shù)公里的激光干涉裝置。
蘇萌說(shuō)，“第一音符”固然值得載入史冊(cè)，但更多驚喜顯然會(huì)接踵而至，人類認(rèn)識(shí)宇宙進(jìn)入“引力波時(shí)代”，剛跨出了第一步。
阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃：開啟北天區(qū)初聆聽(tīng)
從愛(ài)因斯坦的預(yù)言，到LIGO獲得直接觀測(cè)證據(jù)，足足跨越了百年。在這一過(guò)程中，中國(guó)科學(xué)家也在不斷尋覓、追求。早在上世紀(jì)70年代，中國(guó)科學(xué)家就開始了引力波研究，可惜因種種原因停滯了十幾年，造成了人才斷層。直到2008年，在中科院力學(xué)所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室胡文瑞院士的推動(dòng)下，中科院空間引力波探測(cè)工作組成立，引力波的中國(guó)研究再啟征程。
目前，我國(guó)主要有兩個(gè)大型引力波探測(cè)項(xiàng)目，一個(gè)是由中科院高能物理研究所主導(dǎo)的“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”，一個(gè)是由中山大學(xué)領(lǐng)銜的“天琴計(jì)劃”。
美國(guó)科學(xué)家在南極捕捉原初引力波失敗后，總結(jié)原因發(fā)現(xiàn)，他們錯(cuò)將銀河系的前景輻射，當(dāng)成了宇宙的“初啼”。阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃負(fù)責(zé)人、中科院高能所研究員張新民介紹，原初引力波太微弱，所以要選各種干擾盡量少的區(qū)域。“目前，根據(jù)大氣透射率，科學(xué)家在全球共選出了4個(gè)最佳觀測(cè)點(diǎn)，南半球是南極和智利阿塔卡馬沙漠，而北半球則在格陵蘭島和我國(guó)西藏阿里。”他分析，阿塔卡馬沙漠和阿里都處于中緯度，掃過(guò)的天區(qū)面積比高緯度地區(qū)要大很多，未來(lái)阿里將成為北半球天區(qū)第一個(gè)地面觀測(cè)點(diǎn)，開啟北天區(qū)原初引力波觀測(cè)的新窗口，與南半球相呼應(yīng)。蘇萌介紹，美國(guó)哈佛大學(xué)、明尼蘇達(dá)大學(xué)、芝加哥大學(xué)等同行，都對(duì)阿里臺(tái)址很感興趣，希望一起合作。
早在10年前，中科院國(guó)家天文臺(tái)就在阿里建設(shè)觀測(cè)站，如今已頗具規(guī)模。如今，相關(guān)設(shè)備已在研制中，中科院高能所副研究員李虹說(shuō)，初步打算將設(shè)備安裝在阿里觀測(cè)站，但未來(lái)還將在附近選取更高更好的觀測(cè)點(diǎn)，“大氣越稀薄、水汽含量越少，干擾就越小，才越有希望看清原初引力波留下的痕跡”。
天琴計(jì)劃：衛(wèi)星上天聽(tīng)“交響”
“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”是在地面上聆聽(tīng)引力波的音符，“天琴計(jì)劃”則是到太空中去捕捉引力波的聲響。
去年7月23日，天琴計(jì)劃啟動(dòng)。根據(jù)計(jì)劃，中山大學(xué)珠海校區(qū)將建設(shè)“天琴計(jì)劃”所需的地面研究基礎(chǔ)設(shè)施，并以此為基地開展國(guó)家大科學(xué)工程項(xiàng)目。
“天琴計(jì)劃”主要將分四階段實(shí)施：第一階段完成月球/衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)、大型激光陀螺儀等天琴計(jì)劃地面輔助設(shè)施；第二階段完成無(wú)拖曳控制、星載激光干涉儀等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，以及空間等效原理實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)；第三階段完成高精度慣性傳感、星間激光測(cè)距等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，以及全球重力場(chǎng)測(cè)量；第四階段完成所有空間引力波探測(cè)所需的關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)射三顆地球高軌衛(wèi)星進(jìn)行引力波探測(cè)。
中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長(zhǎng)李淼說(shuō)，完成全部四個(gè)子計(jì)劃，大約需要20年，投資大約150億元。目前，“天琴計(jì)劃”中的山洞超靜實(shí)驗(yàn)室和激光測(cè)距地面臺(tái)站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)啟動(dòng)，部分關(guān)鍵技術(shù)研究也已經(jīng)有具體進(jìn)展。
“由于這個(gè)項(xiàng)目還在進(jìn)行中，所以不太方便透露更多細(xì)節(jié)。”他在接受采訪時(shí)說(shuō)，“天琴計(jì)劃”所探測(cè)的引力波頻率與LIGO不同，從科學(xué)本身看，引力波探測(cè)將為人類開啟宇宙觀測(cè)的全新窗口，未來(lái)50年，引力波天文學(xué)將成為時(shí)空、黑洞、引力與量子力學(xué)等研究的工具。
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