追逐科學(xué)之光 聆聽宇宙樂章
——記中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員羅子人

李明麗

2016年2月11日，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣布探測到引力波，遠(yuǎn)在13億光年之外的兩個黑洞相撞產(chǎn)生的“巨響”從此刻開始傳遍整個地球。聽到“巨響”后，我國迅速做出反應(yīng)，啟動了“引力波探測”重點專項，致力于進(jìn)一步揭示宇宙之謎。

前不久，“引力波探測”重點專項第一期任務(wù)“星間激光干涉測量系統(tǒng)分析與設(shè)計”項目啟動會在北京召開，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員羅子人擔(dān)任該項目的首席科學(xué)家。羅子人從2007年，開始從事引力波探測及空間激光精密測量的研究，參與了我國空間引力波探測及先進(jìn)重力衛(wèi)星計劃的預(yù)備研究，為我國引力波探測事業(yè)發(fā)展奉獻(xiàn)了自己的青春和汗水，作出了不可替代的貢獻(xiàn)。

宇宙像一個無限延伸的球，人類對宇宙的探測走得越遠(yuǎn)，遇到的問題越多。對此，羅子人希望自己可以做出更多的成果，為中國引力波探測事業(yè)發(fā)展加薪助燃，使人類可以管窺更多宇宙的浩渺和神秘。

投身“太極計劃”，捕捉時空漣漪

引力波是一種“時空漣漪”，就像是一塊石頭被丟進(jìn)平靜的湖里而產(chǎn)生的波紋。它最初只是阿爾伯特·愛因斯坦的一個理論構(gòu)想，來源于方程式的推導(dǎo)，而非真實的實驗觀察。愛因斯坦在他的廣義相對論中預(yù)言了引力波的存在，他認(rèn)為某些質(zhì)量非常大、速度變化又非?？斓奈矬w，會對周圍時空結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，引力波就是時空擾動向外傳遞的微小漣漪。這種漣漪有多微小呢？愛因斯坦說，引力波小到永遠(yuǎn)無法被觀測到。

起初，“引力波是否能被探測到”一度是一個有爭議的問題。為了尋找引力波，一眾科學(xué)家做了各式各樣的嘗試，直到1974年脈沖雙星PSR B1913+16的發(fā)現(xiàn)才間接證明了引力波是存在的。接下來就是直接探測引力波，20世紀(jì)80年代，立足于物理學(xué)家雷納·韋斯提出的“利用激光干涉儀來探測引力波”想法，美國啟動了激光干涉引力波天文臺（LIGO）計劃，致力于建設(shè)世界上最大的引力波探測儀。2002年，LIGO搭建完成并開始了對引力波的探測。

2016年2月11日，LIGO宣布他們在2015年9月14日觀測到了來自兩個黑洞并合時釋放的引力波，并推測出兩個黑洞的質(zhì)量分別為36及29個太陽質(zhì)量，并合后的質(zhì)量為62個太陽質(zhì)量（缺失的3個太陽質(zhì)量以引力波的能量輻射出來），距離我們約13.4億光年。至此，人類歷史上第一次直接觀測到了引力波。

羅子人

我國科學(xué)家從2008年開始啟動中國空間引力波探測計劃的研究，由中國科學(xué)院牽頭組織全國優(yōu)勢力量成立論證組，胡文瑞院士為第一任組長；2012年，中國科學(xué)院牽頭成立了我國空間引力波探測工作組，由吳岳良院士擔(dān)任組長，并首次提出了基于日心軌道方案的中國空間引力波探測計劃，此計劃于2016年被命名為“太極計劃”，吳岳良院士為首席科學(xué)家，胡文瑞院士為首席顧問。“太極計劃”將打開中低頻段（0.1mHz～1Hz）的引力波觀測窗口，為人類研究宇宙起源與演化、黑洞起源與演化、引力本質(zhì)、暗能量和暗物質(zhì)等提供全新的方法和手段。由于空間引力波探測涉及一系列關(guān)鍵技術(shù)，“太極計劃”提出了“單星”“雙星”和“三星”三步走的發(fā)展路線圖。羅子人就是“單星”任務(wù)——“太極一號”核心測量分系統(tǒng)的主任設(shè)計師。

通過羅子人介紹，記者得知“太極一號”的任務(wù)主要是驗證空間引力波探測技術(shù)路線的可行性。不同于地面探測，在太空中，人類能探測到中低頻段的引力波信號，能夠發(fā)現(xiàn)天體質(zhì)量更大、距離更遙遠(yuǎn)的引力波波源，揭示更為豐富的天體物理過程。然而，由于引力波信號極其微弱，實施空間引力波探測挑戰(zhàn)巨大，需要突破目前人類精密測量和控制技術(shù)的極限。所涉及的核心技術(shù)包括高精度星間激光干涉系統(tǒng)、引力參考傳感器、超高精度無拖曳控制、微牛級推進(jìn)器、超穩(wěn)超靜衛(wèi)星系統(tǒng)等。“太極一號”衛(wèi)星正是瞄準(zhǔn)了這一重大科技前沿，對這些核心技術(shù)的可行性和實現(xiàn)途徑進(jìn)行在軌驗證。

“太極計劃的關(guān)鍵技術(shù)很重要，但發(fā)展這些關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)路線也很重要。如果技術(shù)路線走得不對，那對整個研究計劃會產(chǎn)生重大影響?！绷_子人所在團(tuán)隊只用了不到一年的時間就完成了“太極一號”的研制工作，因為時間緊、任務(wù)重，整個團(tuán)隊的壓力很大。為了盡快完成任務(wù)，團(tuán)隊甚至提出了24小時排班的工作想法，但這一想法被同在中國科學(xué)院力學(xué)研究所的靳剛研究員否掉了。羅子人回憶道：“靳剛老師很嚴(yán)厲地說：‘你們這種方式是不對的，雖然你們這種沖勁很值得鼓勵，但越是這種緊要關(guān)頭，越要保持清醒的頭腦。如果因為疲勞而發(fā)生什么閃失，得不償失?！蛷娪惨笪覀兺砩媳仨殠c下班去休息，然后早上可以早點來。一開始大家對這種工作模式也有爭論，后來就定下來了，而且結(jié)果也是非常讓人滿意的?！?/p>

2019年8月31日，“太極一號”成功發(fā)射，并圓滿完成了第一階段的在軌測試。為了讓這顆衛(wèi)星發(fā)揮更大的價值，羅子人團(tuán)隊在衛(wèi)星上搭載了質(zhì)量激光干涉儀和引力參考傳感器兩個核心系統(tǒng)，實現(xiàn)了我國迄今為止最高精度的空間激光干涉測量。此外，他們還在該衛(wèi)星上成功進(jìn)行了我國首次在軌無拖曳控制技術(shù)試驗，并在國際上首次實現(xiàn)了微牛級射頻離子和雙?；魻栯娡七M(jìn)技術(shù)的在軌驗證?？梢哉f，“太極一號”從零到一的突破，驗證了我國空間引力波探測“太極計劃”技術(shù)路線的可行性。同時，“太極一號”圓滿完成在軌測試也標(biāo)志著“太極計劃”三步走中第1步任務(wù)目標(biāo)已成功實現(xiàn)，并轉(zhuǎn)入拓展實驗階段。

“以前，我們總是聽到一些聲音：中國在引力波探測研究方面是不是和國外差距很大？畢竟人家在20世紀(jì)80年代就開始做了，咱們才剛剛起步，這種差距怎么能追上？但是，‘太極一號’發(fā)射成功以后，這些聲音漸漸消失了。因為大家發(fā)現(xiàn)，中國與國外的差距其實并沒有想象中那么大，中國有中國的優(yōu)勢。咱們國家只要決定做一件事情，可以集中全國的優(yōu)勢力量去達(dá)到目標(biāo)?！绷_子人說道。

對技術(shù)路線可行性驗證通過后，羅子人及其同伴將進(jìn)一步開展地面關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并瞄準(zhǔn)“太極計劃”第3步——“太極三號”的目標(biāo)進(jìn)行展開。但受地面條件如百萬千米臂長模擬、地面噪聲水平等的限制，無法對所有關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行真實檢驗。為此，須通過“太極二號”雙星計劃對“太極計劃”絕大部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行高指標(biāo)的在軌驗證，幫助判斷地面所做的測試、分析、評估和拓展等實驗是否合理，提升關(guān)鍵技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性，降低空間引力波探測“太極計劃”的技術(shù)風(fēng)險。在“太極二號”的攻關(guān)任務(wù)中，羅子人擔(dān)任首席科學(xué)家助理，他將繼續(xù)為“太極計劃”的成功實施貢獻(xiàn)自己的力量。

“我們希望‘太極二號’的關(guān)鍵技術(shù)驗證能夠覆蓋‘太極三號’的所有關(guān)鍵技術(shù)，并且在指標(biāo)上能夠?qū)崿F(xiàn)相同或者差距不大這樣一個水平。這樣的話，‘太極二號’發(fā)射之后，我們就敢拍著胸脯說‘太極三號’肯定沒問題?！绷_子人說道。

鐘情引力波研究，開啟“引力宇宙”

說起羅子人與引力波的緣分，頗有些“命中注定”的意味。

2003年，羅子人還在讀碩士，學(xué)習(xí)的是應(yīng)用數(shù)學(xué)。當(dāng)時，中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院的劉潤球研究員已經(jīng)開始著手對引力波探測研究進(jìn)行布局了，跟隨劉潤球研究員，羅子人開始接觸到引力波探測的相關(guān)知識?！皠櫱蚶蠋熓且粋€很開放的人，他經(jīng)常邀請國內(nèi)外各個領(lǐng)域的頂尖專家來研究院演講，他還經(jīng)常推薦我們?nèi)ブ袊茖W(xué)院理論物理研究所、清華大學(xué)、北京大學(xué)等院校和研究所聽報告，只要他知道哪里有好的報告演講，他就推薦我們?nèi)ヂ?。就這樣，聽得多了，看得多了，了解得多了，我慢慢開始對引力波產(chǎn)生了興趣，因為接觸了很多引力波領(lǐng)域的很厲害的專家，覺得引力波很神奇，很有吸引力。”羅子人說道。

2007年，羅子人轉(zhuǎn)行到引力波探測領(lǐng)域，開始從事空間引力波探測關(guān)鍵技術(shù)的分析和優(yōu)化研究，包括星間激光干涉測量系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、無拖曳控制系統(tǒng)等，甚至包括一些微推進(jìn)器和衛(wèi)星平臺的技術(shù)調(diào)研。

2008年，中國的引力波探測計劃被提上日程，羅子人成為“太極聯(lián)盟”中的一員，開始積極投身于“太極計劃”的預(yù)研究工作當(dāng)中。當(dāng)時，中國引力波探測研究剛剛起步，國家及研究院的支持力度還沒有跟上，導(dǎo)致引力波探測計劃的團(tuán)隊一度處于一個很艱難的境地，很多人選擇了離開，但也有很多人選擇了堅持，羅子人就是選擇堅持的一員。到了2010年，羅子人博士畢業(yè)后，進(jìn)入中國科學(xué)院力學(xué)研究所正式從事科研工作，2013年，他轉(zhuǎn)為助理研究員。

由于當(dāng)時中國在引力波探測方面的研究進(jìn)展依舊緩慢，羅子人與靳剛研究員商量了一下，決定出國學(xué)習(xí)，采他山之石以攻玉。2014年3月，羅子人赴德國馬克斯·普朗克引力物理研究所（漢諾威）從事博士后工作，主要研究方向為衛(wèi)星-衛(wèi)星激光捕獲技術(shù)。馬克斯·普朗克引力物理研究所也稱為阿爾伯特·愛因斯坦研究所，研究領(lǐng)域涉及愛因斯坦的廣義相對論、數(shù)學(xué)、量子引力、相對論天體物理和引力波天文學(xué)等。該研究所也是“激光干涉空間天線”（LISA）研究做得最好的研究所。在這里，羅子人進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)和研究，開闊了科研眼界，增強了科研能力。

團(tuán)隊合影

“走出國門之前，很多人會覺得國外的月亮更圓一些，但是走出去會發(fā)現(xiàn)其實很多方面中國并不比國外差。尤其這些年，中國的發(fā)展速度很快，而且中國的學(xué)者都是很努力、很勤奮的?！蓖瑫r，羅子人也表示，國外值得讓人學(xué)習(xí)的是，他們做事情非常扎實，做一件事情要多次論證后，非常確定了才會往前推進(jìn)下一步的工作?！霸蹅儑矣袝r候推進(jìn)得太快了，中間容易出現(xiàn)反復(fù)情況，一是浪費時間，二是浪費資源，還是得盡量每一步都做扎實了?！?/p>

2015年，LIGO首次探測到引力波后，世界范圍內(nèi)研究引力波的熱情再次被點燃。靳剛研究員馬上聯(lián)系了遠(yuǎn)在德國的羅子人，希望他可以回國協(xié)助中國引力波探測計劃的實施和推進(jìn)。于是，2015年年底，羅子人回到中國科學(xué)院力學(xué)研究所專職從事太極項目的研究。這些年，他一心撲在“太極一號”的研制工作中?！疤珮O一號”的成功發(fā)射也為羅子人及他所在的團(tuán)隊帶來了更多機(jī)遇。他說道：“我們的團(tuán)隊很年輕，平均年齡才30多歲。正是因為‘太極一號’的成功，所以得到了相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的信任，我們可以在‘太極二號’中繼續(xù)貢獻(xiàn)力量，也承擔(dān)了‘引力波探測’重點專項的星間激光干涉測量系統(tǒng)分析與設(shè)計研究?！?/p>

“引力波探測”重點專項將為我國在激烈的國際競爭中搶占先機(jī)奠定堅實基礎(chǔ)。在科學(xué)目標(biāo)上，我國的“引力波探測計劃”既包含與LISA（eLISA）波段重疊的波源，如超大質(zhì)量黑洞的并合、極大質(zhì)量比繞轉(zhuǎn)系統(tǒng)和河內(nèi)白矮星繞轉(zhuǎn)等，又包含有別于LISA的中質(zhì)量黑洞并合過程的波源。對這些引力波源的探測，不僅能探測到單例黑洞并合過程中強引力場的一些性質(zhì)，以檢驗廣義相對論并測量黑洞的很多參數(shù)，還將直接給出對冷暗物質(zhì)相關(guān)模型的限制，對理解宇宙早期演化、星系結(jié)構(gòu)形成、超大質(zhì)量黑洞的形成和成長等重大天文問題提供直接觀察數(shù)據(jù)。對低紅移星團(tuán)中的中質(zhì)量黑洞俘獲小黑洞所釋放的引力波的探測，還將對理解球狀星團(tuán)、年輕星團(tuán)及矮星系等結(jié)構(gòu)，以及星團(tuán)與星系間的關(guān)系，提供一條重要的途徑。

“我們現(xiàn)在的計劃是希望我國的引力波探測器能夠跟歐美合作的LISA同時上天，大概在2030年前后。因為很多引力波的波源，通過電磁手段已經(jīng)觀測到了。銀河系的一些致密雙星系統(tǒng)，通過計算發(fā)現(xiàn)它們輻射的引力波信號強度非常強，所以探測器上天以后應(yīng)該可以馬上觀測到引力波信號。到那時，中國才有望開啟‘引力宇宙’?！绷_子人說道。

回首過去，羅子人說自己進(jìn)入引力波探測領(lǐng)域時也處于懵懵懂懂的狀態(tài)。他沒有想過這個領(lǐng)域有著怎樣的前途，也沒有考慮過從事這個領(lǐng)域的研究會給他帶來怎樣的利益。他只是通過接觸這個領(lǐng)域的頂尖專家，感覺引力波探測是有意思的、有價值的，所以才決定要去做這個領(lǐng)域的研究工作。他說：“人和工作，很多時候不是愛一行干一行，而是干一行愛一行。我屬于后者，越在這個領(lǐng)域深入，越會更加喜歡這個領(lǐng)域的工作。這是我喜歡的工作，國家還給發(fā)工資，工作的過程中還得到了領(lǐng)導(dǎo)和領(lǐng)域內(nèi)專家的關(guān)心和信任，我覺得我是很幸運的?！?/p>

對于未來，羅子人不做過多設(shè)想。因為引力波探測是一項久久為功的事業(yè)，他要做的就是不忘初心，專注當(dāng)下，堅定地朝著自己要走的方向前進(jìn)。宇宙有多大，他的舞臺就有多大；宇宙有多遠(yuǎn)，他的志向就有多遠(yuǎn)。在無限延伸的宇宙中，他期待可以用科學(xué)技術(shù)演奏出更多美妙的宇宙交響樂章。