天琴计划 (引力波探测计划)

天琴计划是由中山大学发起的引力波探测计划,于2015年7月正式启动。中山大学“天琴计划”是以引力波研究为中心,开展空间引力波探测计划任务的预先研究,制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,并开展关键技术研究。

名称
天琴计划
目的
引力波探测

1计划概况

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我国科学家于2009年10月和2011年8月分别召开第332次和403次香山会议,就引力波探测的相关理论与实验工作进行了深入的讨论,并先后提出ASTROD和ALIA空间引力波探测计划。其中,ASTROD计划瞄准10-3——10-5Hz的引力波,干涉仪臂长为3×108公里,是一个技术难度比LISA还高的空间任务概念。ALIA采取与LISA完全相同的轨道与天线构型,只是干涉仪臂长缩短10倍,探测引力波频段也提高10倍。

天琴计划的出发点是切实根据我国的技术能力实际和未来几十年的发展前景,提出我国自主开展空间引力波探测的可行方案。在目前讨论的初步概念中,天琴将像LISA一样,采用三颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列,每颗卫星内部都包含一个或两个极其小心悬浮起来的检验质量。卫星上将安装推力可以精细调节的微牛级推进器,实时调节卫星的运动姿态,使得检验质量始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。这样检验质量将只在引力的作用下运动,而来自太阳风或太阳光压等细微的非引力扰动将被卫星外壳屏蔽掉。

高精度的激光干涉测距技术将被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化,从而获得有关引力波的信息。与LISA或eLISA不同的是,天琴的卫星将在以地球为中心、高度约10万公里的轨道上运行,针对确定的引力波源进行探测。这样的选择能够避免测到引力波信号却无法确定引力波源的问题,而且有望帮助节约大量卫星发射方面成本。天琴的实验技术方案会在未来的研究中进一步优化,以实现其科学价值最大化。

2主要内容

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天琴实验本身将由SC1,SC2,SC3三颗卫星组成,卫星本身作高精度无拖曳控制以抑制太阳风、太阳光压等外部干扰,卫星之间以激光精确测量由引力波造成的距离变化。RX J0806.3+1527是一个周期仅有5.4分钟的超紧凑双白矮星系统,它产生的引力波将是天琴一个重要探测对象。我们选择天琴三颗卫星的轨道面,使它正对RX J0806.3+1527,从而获得最大的响应。

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空间引力波探测带来了前所未有的技术挑战。它首先要求三颗卫星非常精确的进入一个预先选定的轨道,之后卫星的姿态控制要求到0.05°级别,卫星核心区域的温度涨落小到10-6度级别,激光测距的精度要求做到10-12米级别,扰动抑制要求做到地球表面重力加速度的10-16倍。为了稳步实现这些目标,整个天琴计划将以若干技术先导实验项目为依托,采取分步实施的发展方案。

● 0颗星 - 为了满足天琴卫星对入轨精度的要求,天琴计划将首先发展月球和深空卫星激光测距技术,帮助实现对天琴卫星毫米级的定轨精度;

● 1颗星 - 空间等效原理检验实验:利用一颗卫星在约700公里的轨道高度上将等效原理的检验提升到10-16水平;

● 2颗星 - 下一代重力卫星实验:利用两颗卫星在约400公里的轨道高度上、借助激光测距对全球重力场进行高精度测绘;

● 3颗星 - 天琴空间引力波探测实验:探测引力波。

以上四项内容构成了目前天琴计划的主体,根据每项任务需要的卫星数目,也称之为“0123”计划。

3计划四阶段

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天琴计划天琴计划

根据此前的设想,“天琴计划”主要将分四阶段实施:

第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等天琴计划地面辅助设施;

第二阶段完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证,以及空间等效原理实验检验;

第三阶段完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证,以及全球重力场测量;

第四阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术,发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。

完成全部四个子计划,大约需要二十年的时间,投资大约150亿元人民币。

4建设进度

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山洞超静实验室等基础设施已启动

天琴计划天琴计划

2015年7月,中山大学珠海校区将建设“天琴计划”所需的地面研究基础设施,并以此为基地开展面向国家重大需求和科学基础前沿的国家大科学工程项目。

其中山洞超静实验室和激光测距地面台站基础设施建设已经启动,部分关键技术研究也已经有具体进展。

天琴计划的推动将使中山大学将成为国际上引力波探测与空间精密测量领域的学术研究重镇之一,并成为推动后续一系列空间精密测量物理实验的研究基地。

基础设施工程第一期开工奠基

2016年3月20日上午,“天琴计划”基础设施工程第一期开工奠基。一期工程建设项目包含30000平方米的科研综合楼、10000平方米的山洞超静实验室、凤凰山顶5000平方米的集科研、教学、科普于一体的多功能观测台站,以及上山公路等。

奠基仪式上,中大校长罗俊在致辞中表示,“天琴计划”奠基,这是让他“日思夜想30年的一件大事,是终身追求的一个愿望”。他透露,天琴之名取自2014年12月,但当时只是一个说法、计划,并没有和实地结合起来。如今“天琴计划”付诸实施,将对中国将意义重大,希望中国在空间引力波探测抢占先机。

5人才招聘

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2015年7月23日,中山大学发布招聘启示,面向全球招募千人、青年千人、教授(含长江学者特聘教授)、副教授、讲师、研究员和博士后。招聘的目的,是在中山大学珠海校区建设“天琴计划”所需的地面研究基础设施,并以此为基地开展面向国家重大需求和科学基础前沿的国家大科学工程项目。

招聘方向包括引力理论、空间引力实验和精密测量技术,其中需要在星间激光测距技术、无拖曳控制技术、月球激光测距技术、系统模拟与分析、卫星微推进技术等五个领域招聘团队负责人,年薪50万-100万人民币。

6研究意义

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根据爱因斯坦的广义相对论,引力是由于质量所引发的时空扭曲所造成,任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响,其作用的形式就是引力波。虽然引力波无处不在,但是非常微弱,只有像超新星爆发、中子星与黑洞等天体相撞,才会产生足够强烈的引力波。

世界科学界公认,引力波探测是难度最大的尖端科技之一,也是一项意义重大的物理学基础研究。作为爱因斯坦广义相对论中最重要但一直未被证实的预言,引力波是物理学王冠上最耀眼的一颗明珠,如果探测成功,将是人类认知史上具有里程碑意义的科学发现。

7引力波探测

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戛然而止的中国引力波探测

天琴计划天琴计划

韦伯在1969年宣称已探测到引力波信号时,当时还处在“wenge”中的中国科学家也受到了震动。1971年杨振宁首次访华时,告诉中科院高能所的专家,利用韦伯棒探测引力波,是一个“投钱少,有重大科学意义”的课题。而关于这个故事,中科院数学与系统科学研究院研究员刘润球听到的版本是,杨振宁回来的时候,周培源问他能不能做,因为成本低,杨振宁说不妨一试。不管是周培源还是杨振宁先想到了这个方向,从北京到广州的中国科学家马上行动了起来。

1979年7月在意大利召开的第二届格拉斯曼广义相对论国际会议上,来自中山大学的陈嘉言教授,由于在引力波研究方面的贡献,被聘为会议顾问委员会委员。这是中国的引力波研究第一次被国际社会认可,陈嘉言在会上作了《北京—广州引力波探测进展》的报告。据当时参与会议的专家回忆,当时韦伯走到杨振宁身边,紧握着他的手说:“中国人也有自己的引力波探测器了!坚持下去,奇迹将可能由你们创造!”

但遗憾的是,中国没能坚持下去。

据广州大学天体物理中心的王洪光教授透露,当时周培源提出的这个想法后,考虑到钱和技术的问题,中山大学都是自己做的仪器,但是最困难的是引力波信号通常很弱,没有得到重量级的成果。而在陈嘉言因为实验事故去世后,后来的人跟上,但是影响力也没那么大,后来退休的退休,转行的转行,队伍就散了。

1982年8月底,第三届格拉斯曼国际会议在上海召开。参加会议的学者200余人,其中中国学者占了近一半。在大会开幕式的学术报告会上,来自西澳大利亚大学的戴维·布莱尔登上讲台,他以有陈嘉言这样一位杰出的朋友而自豪,他说:“我以下所报告的研究进展,属于陈和我共有。”

布莱尔教授告诉财新记者,实际上他是1978年第一批被邀请到中国进行引力波探测讲学的外国学者之一。1997年,他在西安讲学时遇到了他现在的妻子鞠莉,后者是中国著名神经生物学家鞠躬院士的女儿。现在,鞠莉是他的研究小组中一个重要成员。在他的小组中,还包括多名来自中国的学者,其中来自中科院高能所的赵春农,是周培源的弟子李永贵的学生。实际上,赵春农是西澳大学在引力波研究上真正的实验室一把手,我们可以看到,高能所的引力波研究得到了延续。

一位高能所专家说,实际上高能所在1988年就停止了这方面研究,中山大学因为和斯坦福大学做联合测量,又持续了一段时间,后来专家们都相继退休了。这也是因为中国当时提出“有所为有所不为”的指导思想,引力波探测在中国被当作“不为”的部分完全放弃了,做引力波的人要么退休、要么转行,要么出国。

从现在国际引力波研究的进展上看,唯一可以让中国学者庆幸的是,尽管中国停滞了十多年,但这期间投入了大量的财力和精力的欧美国家,也没找到引力波。

“但是这段空白造成的最大损失,是人才上的断层。”来自中科院高能所的这位专家说,“要是我们一直在做,有个队伍的延续,现在有个什么想法也能很快做起来,现在要把队伍拉起来,还需要时间。”

重新出发

2008年,在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下,中科院多个研究所及院外科研单位共同成立了科学院空间引力波探测工作组,开始探索中国空间引力波探测的可行性。这一项目被列入中科院空间科学2050年规划。在2011年前的一次香山科学会议上,与会的专家认为,探测引力波工程,将可以催生不是一个,而是一批诺贝尔奖。

中山大学组建的研究小组,将开展空间引力波探测计划任务的预先研究,制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图,提出“天琴”空间引力波探测计划,并开展关键技术研究。

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标签: 科学 科学研究

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  • 更新时间:2018-04-11
  • 创建者:shichengran
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