宇宙引力波“二重奏” 科学目标再添辉煌
文/胡月
引力波是一种“时空涟漪”,就像是一块石头被丢进平静的湖里而产生的波纹。它最初只是阿尔伯特·爱因斯坦的一个理论构想,来源于方程式的推导,而非真实的实验观察。爱因斯坦在他的广义相对论中预言了引力波的存在,他认为某些质量非常大、速度变化又非常快的物体,会对周围时空结构产生扰动,引力波就是时空扰动向外传递的微小涟漪。这种涟漪有多微小呢?爱因斯坦说,引力波小到永远无法被观测到。
起初,“引力波是否能被探测到”一度是一个有争议的问题。为了寻找引力波,一众科学家做了各式各样的尝试,直到1974年脉冲双星PSR ?B1913+16的发现才间接证明了引力波是存在的。接下来就是直接探测引力波,20世纪80年代,立足于物理学家雷纳·韦斯提出的“利用激光干涉仪来探测引力波”想法,美国启动了激光干涉引力波天文台(LIGO)计划,致力于建设世界上最大的引力波探测仪。2002年,LIGO搭建完成并开始了对引力波的探测。
宇宙像一个无限延伸的球,人类对宇宙的探测走得越远,遇到的问题越多。对此,罗子人希望自己可以做出更多的成果,为中国引力波探测事业发展加薪助燃,使人类可以管窥更多宇宙的浩渺和神秘。
“太极计划”传来佳音 倾听星辰大海之声
美国实验委员会(NRC)在2007年的报告中指出:“直接探测到中低频引力波将是诺贝尔奖量级的重大发现”。中低频波源的特征质量大,引力波强度强,因此其探测范围可覆盖几乎全宇宙空间。探测这个频段的引力波需要摆脱地面噪声和地面实验尺度的限制,在太空实现百万公里级精密激光干涉测量。
我国科学家从2008年开始探讨中国的空间引力波探测计划,由中科院牵头组织全国优势力量成立空间引力波探测论证组,研讨我国空间引力波探测在未来数十年内的发展路线图,并被列入中国科学院制定的空间2050年规划中。
引力波是时空曲率的一种波动,它在行进过程中挤压或者拉伸时空,就像水面泛起的涟漪一般,以光速向外传播。引力波提供了不同于电磁波的探索宇宙的新手段。引力波探测和研究将可揭开暗能量和暗物质的神秘面纱,为我们呈现一幅完整的宇宙图景。引力和引力子是完成基础物理完整拼图的最后环节,引力波探测和研究将为揭示引力本质、发现引力子和探索大统一理论提供一个不可替代的途径。引力波被称为物理学皇冠上的明珠,是各大国竞相竞争的科学前沿。
地面引力波天文台受地面噪声以及干涉仪尺度的限制,探测频段在10Hz以上;且因波源特征质量小,引力波强度弱,可探测范围较小。更高红移、更大特征质量和尺度的波源,有更深刻的宇宙学和天文学意义。从几千至几百万太阳质量的超大黑洞波源,其探测频段为中低频(0.1mHz～1Hz);大质量黑洞并合、大质量黑洞俘获其他致密天体、双致密天体绕转、早期宇宙相变和宇宙弦等波源都能够产生频率处于中低频段的引力波。
2012年中科院牵头成立了我国空间引力波探测工作组。基于中科院空间科学预研项目的支持,2012年我国科学家在首次eLISA联盟会议上,提出了中国空间引力波探测计划,并从技术和科学目标考虑,优先选择间距为三百万公里的正三角形卫星编队(不同于LISA的五百万公里和eLISA的一百万公里),以太阳为中心落后(或超前)地球约二十度进行绕转。2016年初该计划向外公布为“太极计划”。2014年,我国空间引力波探测工作组的部分成员,开始并行探讨基于地心轨道的探测方案,并于2016年命名为“天琴计划”。
搅动银河系 解开黑洞秘密
“引力波探测”重点专项将为我国在激烈的国际竞争中抢占先机奠定坚实基础。在科学目标上,我国的“引力波探测计划”既包含与LISA(eLISA)波段重叠的波源,如超大质量黑洞的并合、极大质量比绕转系统和河内白矮星绕转等,又包含有别于LISA的中质量黑洞并合过程的波源。
对这些引力波源的探测,不仅能探测到单例黑洞并合过程中强引力场的一些性质,以检验广义相对论并测量黑洞的很多参数,还将直接给出对冷暗物质相关模型的限制,对理解宇宙早期演化、星系结构形成、超大质量黑洞的形成和成长等重大天文问题提供直接观察数据。对低红移星团中的中质量黑洞俘获小黑洞所释放的引力波的探测,还将对理解球状星团、年轻星团及矮星系等结构,以及星团与星系间的关系,提供一条重要的途径。
“我们现在的计划是希望我国的引力波探测器能够跟欧美合作的LISA同时上天,大概在2030年前后。因为很多引力波的波源,通过电磁手段已经观测到了。银河系的一些致密双星系统,通过计算发现它们辐射的引力波信号强度非常强,所以探测器上天以后应该可以马上观测到引力波信号。到那时,中国才有望开启‘引力宇宙’。”罗子人说道。
2016年2月22日,国家领导人对引力波做出重要批示:要求研究其战略价值、努力抢占国际科技制高点。为落实领导人批示,中科院组织多次研讨,超前谋划,于2016年优先启动了战略性先导科技专项B“多波段引力波探测”项目,经过深入系统论证,明确了太极计划“单星、双星、三星”的“三步走”的发展战略。2018年8月,中科院在空间科学(二期)战略性先导科技专项中,优先安排实施微重力技术实验卫星“太极一号”工程任务。2019年8月31日成功发射,通过在轨实验,验证了关键技术路线的可行性,完成了我国空间引力波探测的第一步。
中国科学院力学研究所是我国最先发起空间引力波探测的单位之一,建设有国际先进水平的空间引力波探测星间激光干涉测量系统地面实验平台——皮米精度激光干涉实验平台,主持了我国第一颗空间引力波探测技术实验卫星——太极一号的激光干涉仪系统的设计、研制、测试、在轨实验方案设计和在轨实验数据处理。在顺利完成空间引力波探测关键技术验证任务的基础上,“太极一号”通过北斗导航系统以及星载引力参考传感器的测量数据,获得我国首个自主完成的月平均全球重力场数据产品TJGM-r1911,实现全球重力场前20阶球谐函数势的精密测量,支撑我国地球科学、大地测绘研究。
引力波探测“太极计划” 聆听宇宙琴弦
前不久,“引力波探测”重点专项第一期任务“星间激光干涉测量系统分析与设计”项目启动会在北京召开,中国科学院力学研究所研究员罗子人担任该项目的首席科学家。罗子人从2007年,开始从事引力波探测及空间激光精密测量的研究,参与了我国空间引力波探测及先进重力卫星计划的预备研究,为我国引力波探测事业发展奉献了自己的青春和汗水,作出了不可替代的贡献。
空间引力波探测“太极计划”将打开中低频段(0.1mHz～1Hz)的引力波观测窗口,为人类研究宇宙起源与演化、黑洞起源与演化、引力本质、暗能量和暗物质等提供全新的方法和手段。太极计划的首席顾问为胡文瑞院士,首席科学家为吴岳良院士,工程总师为王建宇院士。由于空间引力波探测涉及一系列关键技术,“太极计划”提出了“单星”“双星”和“三星”三步走的发展路线图。罗子人就是“单星”任务——“太极一号”核心测量分系统的主任设计师。
“太极计划的关键技术很重要,但发展这些关键技术的技术路线也很重要。如果技术路线走得不对,那对整个研究计划会产生重大影响。”罗子人所在团队只用了不到一年的时间就完成了“太极一号”的研制工作,因为时间紧、任务重,整个团队的压力很大。为了尽快完成任务,团队甚至提出了24小时排班的工作想法,但这一想法被同在中国科学院力学研究所的靳刚研究员否掉了。罗子人回忆道:“靳刚老师很严厉地说:‘你们这种方式是不对的,虽然你们这种冲劲很值得鼓励,但越是这种紧要关头,越要保持清醒的头脑。如果因为疲劳而发生什么闪失,得不偿失。’他就强硬要求我们晚上必须几点下班去休息,然后早上可以早点来。一开始大家对这种工作模式也有争论,后来就定下来了,而且结果也是非常让人满意的。”
回首过去,罗子人说自己进入引力波探测领域时也处于懵懵懂懂的状态。他没有想过这个领域有着怎样的前途,也没有考虑过从事这个领域的研究会给他带来怎样的利益。他只是通过接触这个领域的顶尖专家,感觉引力波探测是有意思的、有价值的,所以才决定要去做这个领域的研究工作。他说:“人和工作,很多时候不是爱一行干一行,而是干一行爱一行。我属于后者,越在这个领域深入,越会更加喜欢这个领域的工作。这是我喜欢的工作,国家还给发工资,工作的过程中还得到了领导和领域内专家的关心和信任,我觉得我是很幸运的。”
对于未来,罗子人不做过多设想。因为引力波探测是一项久久为功的事业,他要做的就是不忘初心,专注当下,坚定地朝着自己要走的方向前进。宇宙有多大,他的舞台就有多大;宇宙有多远,他的志向就有多远。在无限延伸的宇宙中,他期待可以用科学技术演奏出更多美妙的宇宙交响乐章。
通过开展空间引力波探测,还可全面推动我国空间高精度引力参考传感器、星间超高精度激光干涉测量、高精度卫星编队、超稳超静卫星平台等各方面技术的成熟,带动一系列对国民经济和国家战略需求有重要价值的关键技术的发展。对于全球重力场测绘、建立高精度全球时空坐标体系、对地观测、大地测量、资源勘探、自主导航、以及促进未来的前沿空间科学实验等都具有重要的意义。
