国际合作弥补引力波探测的差距

　　要说猴年春节期间发生的哪一条新闻最受关注？非“人类首次直接探测到了引力波”莫属。2016年2月11日，美国的“激光干涉引力波天文台”（LIGO）实验组宣布直接观测到引力波信号，这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。引力波，这小小的时空涟漪，穿越13亿光年，无声无息地穿过地球。

　　在中国科学院2月16日举行的“空间引力波探测与研究”媒体见面会上，中国科学院力学研究所胡文瑞院士透露，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。他介绍说，早在2008年就成立了中国科学院空间引力波探测论证组，论证组由中国科学院发起，中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与，开始规划我国空间引力波探测在未来数十年内的发展路线图。

　　据悉，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。在中科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。

　　这一计划缘何起名“太极”？胡文瑞院士解释说，按照中国的宇宙观，万物开始是“太极”，探测原初引力波就是研究宇宙的起源，而太极的图形与双黑洞形象很相似。

　　“如果说引力波是一场宇宙交响曲，那么美国LIGO（激光干涉引力波天文台）的成果只是一个序曲，但主乐章在空间探测领域，将解答更多重大学术问题。”胡文瑞院士说。

　　那么，“太极计划”要做些什么呢？“‘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。”胡文瑞院士解释说，按照“太极计划”，我国在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（1x10-4-1.0 Hz）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 3 x 10-15ms-2/√Hz。这一组技术指标总体上优于LISA的要求，而频率范围复盖了LISA的低频(10-4–10-1Hz)和DECIGO的中频(10-2–1 Hz)。

　　“空间引力波探测和研究需要许多先进技术。在空间激光干涉仪方面需要稳频和锁相的大功率激光器和激光干涉系统；需要用无拖曵技术控制的高精度光学平台；需要测量超低重力水平的惯性传感器；需要控制各种噪声以分辨出引力波引起的微小距离(10-12米)的变化；以及需要与实验设备一体化的卫星研制。这些正是引力波国际探测计划要研究解决的关键技术。” 胡文瑞院士解释说， “我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。”

　　胡文瑞院士介绍说，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。

　　空间引力波太极计划涉及学科领域和前端技术广泛，包括物理学、天文学、宇宙学、天体物理、空间科学、光学，以及精密测量、航天技术、导航与制导、飞行器与轨道设计等，需要发展空间超远距离超高精度激光测量、超高灵敏度惯性传感器，以及超高精度卫星无拖曳控制等下一代高端空间技术，这些技术对于提升我国空间科学和深空探测的技术水平具有重要意义，对惯性导航、地球科学、高精度卫星平台建设等应用领域也将发挥积极的作用。

　　中国空间太极计划的双方案

　　胡文瑞院士介绍说，“太极计划”是一个中欧合作的国际合作计划，有两个方案。

　　方案一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。国际上很希望能有二组空间引力波探测系统同时进行空间探测，彼此验证。

　　方案二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。这个方案拟于2033年前后发射，实现我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，我国将成为国际上空间引力波研究最重要基地之一。

　　“以基础科学研究为牵引，我国在空间科学研究、高端空间技术和科学卫星的整体水平上将会有一个质的飞跃。”胡文瑞院士说，“具体采用哪个方案，目前尚是未知数。”