“太極”與“天琴”：中國引力波計(jì)劃

除了預(yù)算1億元的“阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”，中國目前還有中國科學(xué)院的“太極計(jì)劃”和中山大學(xué)的“天琴計(jì)劃”兩大引力波探測計(jì)劃，因?yàn)槎叨际强臻g探測項(xiàng)目，所以預(yù)算巨大，都超過上百億元。

據(jù)“太極計(jì)劃”首席科學(xué)家、中科院力學(xué)所國家微重力實(shí)驗(yàn)室胡文瑞院士回憶，2008年，中科院基礎(chǔ)局找到一筆資金，專門用來布置一些前沿科學(xué)，做當(dāng)時(shí)看起來還不太受重視但未來有可能產(chǎn)生重大影響的課題，其中就包括引力波探測。很快，科學(xué)院空間引力波探測工作組成立，靳剛、康琦、劉潤球、羅俊、聶玉昕、魏志義、燕琳、詹明生、張曉敏、張永維、張?jiān)俚葘＜叶际钦撟C組成員。其中，羅俊即如今的中山大學(xué)校長，其領(lǐng)銜的“天琴計(jì)劃”于2014年發(fā)起，在LIGO成果出來之后也受到矚目。

為了給這個(gè)項(xiàng)目起一個(gè)好記的名字，工作組把它叫作“太極”。中科院大學(xué)副校長、吳岳良院士介紹，按照中國的宇宙觀，萬物始于“太極”，探測引力波就是研究宇宙萬物的起源，而太極的圖形與雙黑洞形象很相似，于是“太極計(jì)劃”就此得名。照初步規(guī)劃，太極計(jì)劃將于2033年前后發(fā)射中國的引力波探測衛(wèi)星組，進(jìn)行低頻引力波探測?！疤珮O計(jì)劃”首席科學(xué)家胡文瑞表示，上述方案將在今年底上報(bào)審批。

“太極計(jì)劃”是一個(gè)中歐合作的國際合作計(jì)劃，目前有兩個(gè)方案。方案一是參加歐洲空間局的LISA雙邊合作計(jì)劃，通過貢獻(xiàn)20%的裝置加入LISA。方案二是發(fā)射3顆中國的引力波探測衛(wèi)星組，與LISA計(jì)劃于2035年左右發(fā)射的衛(wèi)星組同時(shí)遨游太空，各自獨(dú)立進(jìn)行引力波探測，兩組衛(wèi)星互相補(bǔ)充和檢驗(yàn)測量結(jié)果。

按照歐空局規(guī)定，所有重大項(xiàng)目的參與方需要投入20%。第一個(gè)方案中，歐空局投入經(jīng)費(fèi)為10億歐元，所以中方需要出資2億歐元。第二個(gè)方案中，又有兩個(gè)規(guī)劃，一個(gè)規(guī)劃是中歐雙方各出資10億歐元，形成兩組獨(dú)立的衛(wèi)星組，各采用兩路激光干涉。另一規(guī)劃是中國發(fā)射的3顆衛(wèi)星組，采用雙向激光干涉，共六路激光兩兩干涉，可直接相互檢驗(yàn)測量結(jié)果。

在探測引力波的衛(wèi)星計(jì)劃方面，歐洲已經(jīng)開展了近30年的研究。1993年，歐空局首先提出激光干涉空間天線（LISA）計(jì)劃，進(jìn)行空間引力波測量。在最初的設(shè)計(jì)中，該天線陣列由在太陽軌道上的三個(gè)探測器組成，三個(gè)探測器之間的距離500萬公里，采用雙向激光干涉，共六路激光干涉。后來受經(jīng)費(fèi)的限制，修改了方案，三個(gè)探測器之間采用兩路激光干涉，同時(shí)該計(jì)劃更名為eLISA，已被歐空局正式列入L3計(jì)劃。2015年底，歐空局發(fā)射了關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星LISA探路者（LISA-Pathfinder）。

據(jù)吳岳良介紹，2013年中國和歐空局的雙邊備忘錄并沒有具體說明如何合作，到2015年的備忘錄就商討了具體參與事項(xiàng)，比如中國如何參與，一些儀器設(shè)備基本達(dá)到要求?！爸袊诰植考夹g(shù)上已達(dá)到歐洲空間局的水平，但至于自主研發(fā)的引力波探測衛(wèi)星還有很大的差距?！?/p>

“究竟選哪一個(gè)計(jì)劃，要看國家的論證和投入，不論哪一個(gè)計(jì)劃都要進(jìn)行國際合作?！眳窃懒颊f。在他眼里，這么多年來，太極計(jì)劃遇到的最大困難在于沒有吸引到人才?！皣覜]有投資立項(xiàng)，就對(duì)年輕人的吸引力很弱，隊(duì)伍很難擴(kuò)大。現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)找到引力波，如果國家有意愿支持，推動(dòng)科學(xué)本身進(jìn)步的同時(shí)，也會(huì)推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展?！?/p>

至于為什么要到天上去找引力波，吳岳良說：“基于地面的引力波探測實(shí)驗(yàn)裝置，受空間距離的限制和地球重力梯度噪聲的影響，無法探測低于10赫茲的引力波，研究目標(biāo)較為有限。所以，多國科學(xué)家都在加緊開展空間引力波探測的研究計(jì)劃。”

天琴計(jì)劃也將發(fā)射6顆衛(wèi)星，和太極計(jì)劃有所不同的是，天琴計(jì)劃發(fā)射的衛(wèi)星軌道圍繞地球旋轉(zhuǎn)，太極計(jì)劃的衛(wèi)星軌道圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。除此之外，二者的科學(xué)目標(biāo)也有所不同，但都針對(duì)中低頻段的引力波。

“太極計(jì)劃的衛(wèi)星組處于太陽同步軌道。研究表明，這個(gè)軌道上的衛(wèi)星組在相距300萬～500萬公里時(shí)，探測到的引力波是一個(gè)具有獨(dú)特波段的引力波，是其他實(shí)驗(yàn)所不能觀測的波段，可幫助我們理解中等和大質(zhì)量黑洞的結(jié)構(gòu)和形成以及它們?nèi)绾纬砷L為超大黑洞的過程，因通常認(rèn)為星系的中心是一個(gè)中等和大質(zhì)量的黑洞。”吳岳良說，“高精度的實(shí)驗(yàn)還可測量對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論的修正，探測超越愛因斯坦廣義相對(duì)論的量子引力理論。另外，結(jié)合微波背景輻射的測量，引力波成為探測早期宇宙的重要手段。”

太極、LISA、LIGO，地面的、天上的——引力波探測為什么需要這么多不同的手段？

蘇萌有一個(gè)說法，即引力波的頻率很寬，就好像聲樂中分低音、中音、中高音和高音。針對(duì)不同頻率，科學(xué)家采取了不同的探測手段，科學(xué)目標(biāo)也不盡相同。

類似LIGO這樣的地面探測計(jì)劃，傾聽的是宇宙樂章的高音，頻率是幾十到幾千赫茲，而LISA、“太極計(jì)劃”、“天琴計(jì)劃”等太空探測計(jì)劃，傾聽的則是宇宙樂章的中低音，頻率是十萬分之一到1赫茲，相比前者要低很多。頻率越低，波段越長，探測到的內(nèi)容相對(duì)越豐富，實(shí)際科學(xué)價(jià)值越大，這也是為何胡文瑞稱其為引力波研究的“主樂章”。

“如果說引力波是一場宇宙交響曲，那么LIGO的成果只是一個(gè)序曲?！焙娜疬M(jìn)一步表示，LIGO項(xiàng)目的成功需要中國科學(xué)界的反思，“美國基金委員會(huì)能在2011年噪聲全覆蓋還未探測成功的情況下，仍然投入了4億美元，這個(gè)決心是中國科研的差距?！?