圖為西藏阿里天文臺。“阿里實驗計劃”的原初引力波觀測設(shè)備將在此安裝。(中科院高能物理研究所供圖)
本報記者 許琦敏
■目前，我國主要有兩個大型引力波探測項目，一個是由中科院高能物理研究所主導(dǎo)的“阿里實驗計劃”，一個是由中山大學(xué)領(lǐng)銜的“天琴計劃”。阿里實驗計劃是在地面上聆聽引力波的音符，天琴計劃則是到太空去捕捉引力波的聲響
■早在10年前，中科院國家天文臺就在西藏阿里建設(shè)觀測站，如今已頗具規(guī)模。去年7月23日，天琴計劃啟動，完成全部四個子計劃大約需要20年
美國激光干涉引力波天文臺(LIGO) 直接探測到引力波的新聞發(fā)布會，在全球引起轟動。這是一個科學(xué)史上的里程碑，如果說電磁波的發(fā)現(xiàn)，讓人類從此“看見”了宇宙，那么引力波則讓人類進(jìn)入了“聆聽”宇宙的新時代。
以此為開端，真正的引力波世界正如同一首氣勢恢弘的宇宙交響樂，等待著科學(xué)家們不斷發(fā)現(xiàn)并演繹出人類認(rèn)識宇宙、利用自然的新篇章。
引力波“音符”豐富多彩
LIGO聽到的是一個怎樣的引力波“音符”? 那是兩個恒星級黑洞相撞融合，一個新的更大質(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“音符”的頻率覆蓋35到250赫茲。
其實，引力波的頻率很寬，最低的只有億億分之一赫茲。美國麻省理工學(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，針對不同頻率，科學(xué)家采取了不同的探測手段。
頻率最低的是原初引力波，它的波長跟整個宇宙的尺度差不多大，所以只能通過對宇宙大爆炸后遺留的光子場信號，即宇宙微波背景輻射，來尋找它?！?014年3月，美國哈佛史密松天體物理中心宣稱在南極觀測到了原初引力波，但隨后又發(fā)現(xiàn)出錯了?！碧K萌說，要從雜亂無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特標(biāo)記，的確太困難，需要不斷發(fā)展靈敏度更高的實驗來找尋。
其次是大質(zhì)量黑洞并合時發(fā)出的引力波，對應(yīng)頻率在百萬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)鏡作為探測器，來觀測這種引力波。
當(dāng)頻率提升到十萬分之一到一赫茲，對應(yīng)的信號來源更為豐富，比如中子星碰撞、超新星爆炸等產(chǎn)生的引力波。對應(yīng)這個頻率的探測手段非常酷炫: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)驗證星送上天，預(yù)計用20年左右時間完成。而我國則有中山大學(xué)的“天琴計劃”。
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，主要的信號源是中子星、恒星級黑洞等致密天體組成的雙星系統(tǒng)。探測手段就是地面數(shù)公里的激光干涉裝置。
蘇萌說，“第一音符”固然值得載入史冊，但更多驚喜顯然會接踵而至，人類認(rèn)識宇宙進(jìn)入“引力波時代”，剛跨出了第一步。
阿里實驗計劃:開啟北天區(qū)初聆聽
從愛因斯坦的預(yù)言，到LIGO獲得直接觀測證據(jù)，足足跨越了百年。在這一過程中，中國科學(xué)家也在不斷尋覓、追求。早在上世紀(jì)70年代，中國科學(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)所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下，中科院空間引力波探測工作組成立，引力波的中國研究再啟征程。
目前，我國主要有兩個大型引力波探測項目，一個是由中科院高能物理研究所主導(dǎo)的“阿里實驗計劃”，一個是由中山大學(xué)領(lǐng)銜的“天琴計劃”。
美國科學(xué)家在南極捕捉原初引力波失敗后，總結(jié)原因發(fā)現(xiàn)，他們錯將銀河系的前景輻射，當(dāng)成了宇宙的“初啼”。阿里實驗計劃負(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個最佳觀測點，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西藏阿里?！彼治觯⑺R沙漠和阿里都處于中緯度，掃過的天區(qū)面積比高緯度地區(qū)要大很多，未來阿里將成為北半球天區(qū)第一個地面觀測點，開啟北天區(qū)原初引力波觀測的新窗口，與南半球相呼應(yīng)。蘇萌介紹，美國哈佛大學(xué)、明尼蘇達(dá)大學(xué)、芝加哥大學(xué)等同行，都對阿里臺址很感興趣，希望一起合作。
早在10年前，中科院國家天文臺就在阿里建設(shè)觀測站，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，初步打算將設(shè)備安裝在阿里觀測站，但未來還將在附近選取更高更好的觀測點，“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”。
天琴計劃:衛(wèi)星上天聽“交響”
“阿里實驗計劃”是在地面上聆聽引力波的音符，“天琴計劃”則是到太空中去捕捉引力波的聲響。
去年7月23日，天琴計劃啟動。根據(jù)計劃，中山大學(xué)珠海校區(qū)將建設(shè)“天琴計劃”所需的地面研究基礎(chǔ)設(shè)施，并以此為基地開展國家大科學(xué)工程項目。
“天琴計劃”主要將分四階段實施:第一階段完成月球/衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)、大型激光陀螺儀等天琴計劃地面輔助設(shè)施;第二階段完成無拖曳控制、星載激光干涉儀等關(guān)鍵技術(shù)驗證，以及空間等效原理實驗檢驗;第三階段完成高精度慣性傳感、星間激光測距等關(guān)鍵技術(shù)驗證，以及全球重力場測量;第四階段完成所有空間引力波探測所需的關(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。
中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長李淼說，完成全部四個子計劃，大約需要20年，投資大約150億元。目前，“天琴計劃”中的山洞超靜實驗室和激光測距地面臺站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)啟動，部分關(guān)鍵技術(shù)研究也已經(jīng)有具體進(jìn)展。
“由于這個項目還在進(jìn)行中，所以不太方便透露更多細(xì)節(jié)。”他在接受記者采訪時說，“天琴計劃”所探測的引力波頻率與LIGO不同，從科學(xué)本身看，引力波探測將為人類開啟宇宙觀測的全新窗口，未來50年，引力波天文學(xué)將成為時空、黑洞、引力與量子力學(xué)等研究的工具。
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