揭秘引力波探测的中国方案 国际顶尖专家也希望参与

　　来源：科技日报

　　本报记者 刘志伟
　　随着美国激光干涉引力波天文台（LIGO）第一次“聆听”到引力波，其探测成为科学界的热点词汇，世界多个国家都制定了各具特色的引力波探测计划。其中，我国的天琴计划因其独特的技术方案被誉为引力波探测的“中国方案”而备受关注。
　　然而，天琴计划近日以另一种方式再次引来热议。由于采用了不同于目前西方欧美国家的方案，国内一些专家对其科学性和有效性表示疑虑。甚至有专家对比欧洲的LISA计划，对“天琴”方案能否顺利实施提出质疑。那么，美国和欧洲已有类似的探测计划，为什么我们还要制定实施天琴计划？相关专家提出的问题，又如何解决？科技日报记者带着这些好奇和疑问，联系到天琴计划项目专家，探寻“天琴”的奥秘。
　　独辟蹊径的“中国方案”
　　学界普遍认为，引力波的发现是物理学和天文学的一项重大突破。它开启了人类探索宇宙的一扇大门，甚至可能揭开宇宙诞生早期的奥秘。
　　天琴计划提出者、中国科学院院士罗俊说，引力波研究不仅是当今物理学科的理论基础、决定着前沿学科的发展方向，更对包括地震在内的自然环境监测、地质资源勘测，以及导弹轨道设计、潜艇导航性能提升等国防军工都具有重大意义。
　　天琴计划的提出是在2014年3月的一次国际会议上，但是技术积累从上个世纪80年代就开始了。据介绍，天琴计划的思路是向距地球10万公里轨道上发射三颗卫星，围绕地球组建等边三角形卫星阵列，像在太空中架了一把竖琴，宇宙中的引力波传过来，则会拨动“琴弦”。通过激光测距等技术测得三颗卫星的距离和位置变化，就能获取该引力波数据，了解其背后的天文事件和天文过程。
　　LIGO是探测到引力波的第一个天文机构。但LIGO是在地面上探测引力波。地面观测仪器因臂长较短，只能接收到高频引力波。“天琴”是将三颗卫星放在太空里，星间距离可以足够长，因此可以探测到低频引力波，捕获更丰富的物理、天文学过程。
　　目前，国际上与天琴计划类似的空间引力波探测计划主要是欧美主导的LISA计划。二者都是发射三颗卫星在空间组成大型激光干涉天线来探测引力波。其区别在于LISA运行在太阳轨道周围，天琴计划则是地球轨道附近的探测计划。两种方案的核心技术基本相同，方案实施各有优缺点。
　　国际顶尖专家也希望参与其中
　　对于天琴计划的疑虑主要也因它运行在地球轨道周围而起。相关专家认为，该运行轨道可能使卫星遭受过量的太阳辐射而受损，地球阴影的遮挡对仪器观测的有效时间也有可能产生影响。面对这些疑虑，周泽兵教授说：“对于质疑，我们都有考虑和解决方案。”
　　“天琴”由三颗卫星构成，当地球、月球、水星或金星等天体运行到“天琴”的某一颗卫星和太阳之间时，就会对照射到卫星上的太阳光造成遮挡，形成太阳阴影问题。周泽兵说，这些遮挡可以是完全遮挡，这时卫星表面温度会发生显著变化，但也可能是很小一部分的遮挡，这时将不会对卫星温度有明显的影响。为保证仪器设备安全，在可能发生遮挡的所有时刻，可令“天琴”停止科学数据采集工作。
　　“通过多次模拟，我们发现‘天琴’在跨越5年的科学探测期内会碰到7—9次的遮挡事件，每次持续的时间都不超过1小时，其中多数为部分遮挡。”周泽兵说，由于发生遮挡的次数有限且每次持续的时间都很短，在任务运行期间需要留心这些遮挡对仪器设备安全产生影响，但它们不会对“天琴”预期的科学成果产生显著影响。
　　轨道运动引起温度变化，卫星内部的温度稳定性也是“天琴”的一大难题。
　　周泽兵说，引力波探测卫星的部分表面会贴上太阳能电池板为卫星供电。通过合理设计任务方案、卫星热控、卫星结构，可使太阳能电池板成为卫星在整个空间引力波探测过程中唯一能直接被太阳光照射的部位。通过隔空安装太阳能电池板的方式，能做好太阳能电池板和卫星主体间的隔热问题，保证卫星内部的温度稳定性。“虽然最终方案需要进一步研究，但相信我国航天工程人员有充分智慧可以解决这一问题。”周泽兵说。
　　“天琴计划”体系庞大，要15—20年的研究时间。国内已有十多个大学和研究院所参与了天琴计划的工作，但仍有许多工程技术难题有待攻克。罗俊说，德国、意大利、法国的顶尖教授也希望能参与其中。
　　“我们很有可能走在他们前面”
　　由于远离地球，LISA三颗卫星发射运载要求高，卫星从发射到入轨需要经历1年多的时间，轨道转移方案复杂，属于“长途跋涉”，给仪器的寿命和可靠性带来一定的压力；其次，为了保持卫星编队平面与太阳光照射的夹角恒定（60度），需要不断对每颗卫星的指向进行调整，因此不可避免带来扰动因素。
　　周泽兵介绍，“天琴”卫星从发射到入轨预期相对时间较短，对我国而言，目前该技术相对成熟；由于“天琴”激光干涉臂比LISA短，“天琴”在高频端的探测灵敏度要优于LISA，这对于研究中等质量黑洞、以及联合地面探测实验进行多波段引力波研究都非常重要。
　　今年年初，“天琴”团队与相关研究机构首次在国内成功实现月（球）—地（球）激光测距，从而为高轨卫星精密定轨技术奠下基础，这意味着中国的空间引力波探测计划“天琴”成功迈出了实质性的第一步。
　　目前，多项核心技术已经攻关且得到验证，比如空间惯性传感器已经研制成功，且经过了两次空间搭载验证。
　　这是世界上的“科学无人区”。“天琴”一直都在边建设边积累，已经做了20多年的技术储备。正因有几十年的积淀，在谈到欧洲类似的空间引力波探测项目LISA将于2034年升空时，罗俊说：“我们很有可能会走在他们前面。”

新浪网