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人类首次直接探测到引力波开启“聆听”宇宙的新时代
【文汇报】中国两大探测项目:“阿里”与“天琴”
2016-02-13|文章来源:许琦敏 |【
 

  图为西藏阿里天文台。“阿里实验计划”的原初引力波观测设备将在此安装。(中科院高能物理研究所供图)

  本报记者 许琦敏

  ■目前,我国主要有两个大型引力波探测项目,一个是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”,一个是由中山大学领衔的“天琴计划”。阿里实验计划是在地面上聆听引力波的音符,天琴计划则是到太空去捕捉引力波的声响

  ■早在10年前,中科院国家天文台就在西藏阿里建设观测站,如今已颇具规模。去年7月23日,天琴计划启动,完成全部四个子计划大约需要20年

  美国激光干涉引力波天文台(LIGO) 直接探测到引力波的新闻发布会,在全球引起轰动。这是一个科学史上的里程碑,如果说电磁波的发现,让人类从此“看见”了宇宙,那么引力波则让人类进入了“聆听”宇宙的新时代。

  以此为开端,真正的引力波世界正如同一首气势恢弘的宇宙交响乐,等待着科学家们不断发现并演绎出人类认识宇宙、利用自然的新篇章。

  引力波“音符”丰富多彩

  LIGO听到的是一个怎样的引力波“音符”? 那是两个恒星级黑洞相撞融合,一个新的更大质量的黑洞诞生,并发出了新生的第一声“啼哭”。这声“啼哭”随着宇宙膨胀,传到了13亿年后的地球。这个“音符”的频率覆盖35到250赫兹。

  其实,引力波的频率很宽,最低的只有亿亿分之一赫兹。美国麻省理工学院物理系研究员苏萌介绍,目前引力波根据其产生源不同,主要分四种,分布在不同频率上,针对不同频率,科学家采取了不同的探测手段。

  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。“2014年3月,美国哈佛史密松天体物理中心宣称在南极观测到了原初引力波,但随后又发现出错了。”苏萌说,要从杂乱无章的各种引力波中辨认出带有宇宙大爆炸初期引力波留下的独特标记,的确太困难,需要不断发展灵敏度更高的实验来找寻。

  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。

  当频率提升到十万分之一到一赫兹,对应的信号来源更为丰富,比如中子星碰撞、超新星爆炸等产生的引力波。对应这个频率的探测手段非常酷炫:空间卫星阵列。欧洲空间局著名的LISA (光学干涉空间阵列),去年年底刚将首颗技术验证星送上天,预计用20年左右时间完成。而我国则有中山大学的“天琴计划”。

  引力波的高频段是几十到几千赫兹,这就是这次LIGO—Virgo合作组宣布的,主要的信号源是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统。探测手段就是地面数公里的激光干涉装置。

  苏萌说,“第一音符”固然值得载入史册,但更多惊喜显然会接踵而至,人类认识宇宙进入“引力波时代”,刚跨出了第一步。

  阿里实验计划:开启北天区初聆听

  从爱因斯坦的预言,到LIGO获得直接观测证据,足足跨越了百年。在这一过程中,中国科学家也在不断寻觅、追求。早在上世纪70年代,中国科学家就开始了引力波研究,可惜因种种原因停滞了十几年,造成了人才断层。直到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,中科院空间引力波探测工作组成立,引力波的中国研究再启征程。

  目前,我国主要有两个大型引力波探测项目,一个是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”,一个是由中山大学领衔的“天琴计划”。

  美国科学家在南极捕捉原初引力波失败后,总结原因发现,他们错将银河系的前景辐射,当成了宇宙的“初啼”。阿里实验计划负责人、中科院高能所研究员张新民介绍,原初引力波太微弱,所以要选各种干扰尽量少的区域。“目前,根据大气透射率,科学家在全球共选出了4个最佳观测点,南半球是南极和智利阿塔卡马沙漠,而北半球则在格陵兰岛和我国西藏阿里。”他分析,阿塔卡马沙漠和阿里都处于中纬度,扫过的天区面积比高纬度地区要大很多,未来阿里将成为北半球天区第一个地面观测点,开启北天区原初引力波观测的新窗口,与南半球相呼应。苏萌介绍,美国哈佛大学、明尼苏达大学、芝加哥大学等同行,都对阿里台址很感兴趣,希望一起合作。

  早在10年前,中科院国家天文台就在阿里建设观测站,如今已颇具规模。如今,相关设备已在研制中,中科院高能所副研究员李虹说,初步打算将设备安装在阿里观测站,但未来还将在附近选取更高更好的观测点,“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”。

  天琴计划:卫星上天听“交响”

  “阿里实验计划”是在地面上聆听引力波的音符,“天琴计划”则是到太空中去捕捉引力波的声响。

  去年7月23日,天琴计划启动。根据计划,中山大学珠海校区将建设“天琴计划”所需的地面研究基础设施,并以此为基地开展国家大科学工程项目。

  “天琴计划”主要将分四阶段实施:第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等天琴计划地面辅助设施;第二阶段完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证,以及空间等效原理实验检验;第三阶段完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证,以及全球重力场测量;第四阶段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。

  中山大学天文与空间科学研究院院长李淼说,完成全部四个子计划,大约需要20年,投资大约150亿元。目前,“天琴计划”中的山洞超静实验室和激光测距地面台站基础设施建设已经启动,部分关键技术研究也已经有具体进展。

  “由于这个项目还在进行中,所以不太方便透露更多细节。”他在接受记者采访时说,“天琴计划”所探测的引力波频率与LIGO不同,从科学本身看,引力波探测将为人类开启宇宙观测的全新窗口,未来50年,引力波天文学将成为时空、黑洞、引力与量子力学等研究的工具。

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