想在空间探测引力波？中国科学院发起“太极计划”

中国科学院16日举行“空间引力波探测与研究”媒体见面会，记者从会上获悉，中国科学院从2008年开始发起“太极计划”。

一百年前，爱因斯坦在创立了广义相对论后不久就提出了引力波存在预言。百年来，世界各国的科学家为寻找和发现引力波付出了巨大的努力，建造了多种实验装置。2016年2月11日，LIGO(激光干涉引力波观测站)实验组宣布直接观测到引力波信号。这一划时代的发现开启了引力波物理和天文学以及量子宇宙物理研究的新纪元。

宇宙中引力波来自天体的能量和质量变化，不同频率的引力波对应于不同的天体物理过程。引力波谱的分析表明，地面观测的高频(＞10Hz)引力波主要对应于致密双星的引力辐射。20世纪60年代，人们开始在地面用共振天线探测引力波，但是由于灵敏度不够而未获得肯定的结果。90年代以来，人们开始用激光干涉方法在地面测量引力波，臂长分别达到4公里(美国的LIGO)，3公里(意、法合作的VIRGO)，600米(德、英合作的GEO)，和300米(日本的TAMA300)，其技术水平比共振天线法的探测灵敏度提高了四个数量级，使得LIGO实验组最终能够直接观测到引力波的信号。

近些年，X射线的天文观测提供了星团等稠密动力学环境中中等质量黑洞存在的证据，而在宇宙学星系成长的等级过程中，中等质量黑洞作为超大质量黑洞早期种子来源的存在，也已在理论上被人们普遍接受。基于地面的引力波探测实验装置，由于受空间距离的限制和地球重力梯度噪声的影响，无法探测低于10Hz的引力波，使其研究目标变得较为有限。

为此，多国科学家都在加紧开展空间引力波探测的研究计划。1993年，欧洲空间局(ESA)首先提出激光干涉空间天线(LISA)计划，在10-4-10-2Hz波段进行空间引力波测量。LISA计划的引力波源是双星系、超大质量双黑洞和大质量比双黑洞的并合、普通星系核中大质量黑洞捕获恒星质量黑洞、超致密双星、以及大质量天体的爆炸等。2015年底已发射了LISA的关键技术验证卫星LISA-Pathfinder，计划于2025年左右发射(可能延至2030年或以后)由三颗各相距500万公里，装有空间激光干涉仪的卫星组进行空间引力波探测。

最近，美国提出的后“爱因斯坦计划”包括两颗星，其中一颗是“大爆炸观测者”，着重于探测地面和LISA之间的中频(1x10-2-100Hz)引力波。日本也提出了在相似频段观测引力波的DECIGO计划。中频波段的引力波源主要是中等质量的致密双星(黑洞、中子星、白矮星)，以及宇宙大爆炸早期(10-34秒以后)产生的引力波。空间激光干涉法测量中、低频引力波将是天文学和空间宇宙物理最前沿的课题。

空间引力波探测已被列入中国科学院制订的空间2050年规划。2008年由中国科学院发起，中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与，成立了中国科学院空间引力波探测论证组，开始规划中国空间引力波探测在未来数十年内的发展路线图。经过几年的努力，目前已形成了一支以中国科学院科研人员为主，胡文瑞院士、吴岳良院士为首席科学家的空间太极(Taiji)计划工作组。在科学院先导科技专项空间科学预先研究项目连续三期的资助下，工作组组织了各种学术交流活动和研讨会包括香山会议等，在引力波源的理论及探测研究和卫星技术研究上取得了诸多进展。

经引力波探测和研究工作组多次商议和论证，“太极计划”的一个方案显示，中国在2030年前后将发射由位于等边三角形顶端三颗卫星组成的引力波探测星组，用激光干涉方法进行中低频波段(1x10-4-1.0Hz)引力波的直接探测。卫星采用无拖曵技术，星组中卫星间距300万公里，激光功率约2瓦，望远镜口径约0.5米，加速度噪音为3x10-15ms-2/√Hz。频率范围复盖了LISA的低频和DECIGO的中频。太极计划的主要科学目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其它的宇宙引力波辐射过程。

专家坦言，中国目前的技术能力与国际先进水平还有一定的差距，这种差距可以通过良好的国际合作得到一定的弥补。目前太极计划工作组与国际同行已建立了广泛的联系，与德国马普学会引力物理研究所和莱布尼茨大学爱因斯坦研究所确立了深度合作关系。太极计划工作组每年安排人员参加LISA合作组年会，与德国马普学会引力物理研究所每年轮流举办合作交流会议，对研究中所遇到的问题进行磋商和交流。

记者获悉，“太极计划”是一个中欧合作的国际合作计划，它有两个方案。方案I是参加欧洲空间局的eLISA双边合作计划，今年秋天将召开第三次双方科学家会议，完成双边合作的可行性报告，然后各自向主管部门呈报，由双方主管部门审批后执行。方案II就是发射一组中国的引力波探测卫星组，与2035年左右发射的eLISA卫星组同时邀游太空，进行低频引力波探测。方案II拟于2033年前后发射，实现中国大型先进科学卫星计划的突破。届时，中国卫星组与eLISA卫星组同时在空间独立进行引力波探测，互相补充和检验测量结果，中国将成为国际上空间引力波研究最重要基地之一。