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物理学在过去的世纪里得到了高速发展,人们因此认识到在自然界中存在着四种基本的相互作用，它们包括与日常生活紧密相关的万有引力作用和电磁相互作用、以及在微观粒子间变得重要的弱相互作用和强相互作用。相比于其他三种基本相互作用，万有引力统治着日月星辰的运动和整个宇宙的演化，具有特殊的重要性。爱因斯坦的广义相对论是目前描述万有引力的最好理论，一百多年来它已经成功通过了各种实验检验，到现在为止还没有发现被破坏的迹象。如同麦克斯韦的电磁学理论预言了电磁波一样，爱因斯坦的广义相对论也预言了引力波的存在。但是由于产生引力波的条件极其苛刻，人工手段很难产生能够被探测到的引力波。自然界中，相互绕转的紧凑双星系统、大质量天体的碰撞合并、超新星爆发等极端事件都能产生较强的引力波。但这类波源通常或者离地球很远、或者出现的几率很低，使得引力波的直接探测成为一个极具挑战的世纪难题。 1974年，Russell Hulse 和Joseph Hooton Taylor, Jr.首次在双星系统中发现一颗变星，他们借此观察到这个双星系统的演化与广义相对论预言的通过引力波辐射造成轨道周期变化的结果一致，从而间接证明了引力波的存在。两位科学家因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。 Joseph Weber是第一个试图通过实验直接探测引力波的人。他在上世纪60年代建造了长2米、直径1米的铝棒探测器，试图用于记录由引力波引起的共振信号。Weber的努力促使了引力波探测器在世界各地的发展。中山大学引力物理研究室也于上世纪七十年代建造了常温共振型引力波天线，其测量灵敏度可达到10-17，为当时国际同类引力波天线的最高水平之一。目前世界上最主要的引力波探测器有美国的LIGO，法国和意大利的Virgo，德国的GEO600和日本的TAMA300（以及KAGRA）等地面探测器。2016年2月11日，LIGO科学合作组宣布探测到来自GW150914双黑洞合并事件的引力波，举世瞩目。 由于受地面震动影响，地面引力波探测器普遍只对几十赫兹以上的引力波信号敏感，因此其探测目标主要集中在类似双星合并、超新星爆发、表面有山包的高速旋转中子星等系统上，其作为天文观测手段的距离能力也相对有限。为了利用引力波研究自然界中更普遍的稳定双星系统、更有趣的超大质量黑洞合并、以及超大质量黑洞俘获普通天体等过程，并且把观测范围延伸到更早期宇宙，人们需要建造工作在更低频段上的空间引力波探测器。这方面的代表是美国宇航局（NASA）与欧空局（ESA）在2001~2011年间合作支持的LISA项目，原计划发射三颗卫星形成臂长500万公里的等边三角形，在地球后方约0.5亿公里的地方跟随地球绕太阳运行。由于经费和计划变更等原因，NASA于2011年退出了合作。欧洲科学家于是提出了臂长100万公里，将LISA中三颗全同卫星改为一颗母星带两颗伺服子星的修改版LISA（即eLISA）计划。其技术验证星LISA pathfinder已经于2015年底发射升空，将在随后几个月里对空间引力波探测所需要的高精度激光干涉测量和高精度加速度噪声抑制等几项关键技术进行检验。LISA pathfinder成功后将有助于eLISA最终从欧空局获得资助。目前最有可能的是被选中成为欧空局宇宙视野（Cosmic Vision）计划的第三次大科学任务，于2034年发射升空。NASA重返eLISA的工作也已经于近期启动。 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。 图 天琴空间引力波探测实验示意图。 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。 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。 总体规划上，天琴计划预期执行期为2016-2035年，分四阶段实施： (1) 2016-2020年：完成月球/深空卫星激光测距、空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验所需关键技术研发。主要研发成果包括：新一代月球激光测距反射器、月球激光测距台站、高精度加速度计、无拖曳控制（包含微推进器）、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距技术等； (2) 2021-2025年：完成空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验工程样机，并成功发射下一代重力卫星和空间等效原理实验卫星。主要研发成果包含：超静卫星平台、高精度大型激光陀螺仪、以及进一步提高加速度计、无拖曳控制（包含微推进器）、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距等技术； (3) 2026-2030年：完成空间引力波探测关键技术，完成卫星载荷工程样机； (4) 2031-2035年：进行卫星系统整机联调测试、系统组装，发射空间引力波探测卫星。 最近几年，天琴计划的发展将以在中山大学珠海校区建设天琴计划综合研究设施为重要内容。我们将发展空间引力实验关键技术为导向，在引力理论与实验分析、卫星平台与控制、光学测量与遥感、地月系统物理实验四个方面展开系统研究，培育大科研团队。预期通过5年时间的发展，凝聚100人以上的科研队伍，同时积极向国家申请建立“天琴计划国家重大科学工程基础设施项目”。预期建成以后可以使中山大学和珠海成为我国空间引力实验和其他空间精密测量物理的最重要研究中心。 天琴计划综合设施的第一期工程包括3万平方米的天琴综合研究大楼、1万平方米的山洞超静实验室、位于南山山顶的5千平方米教学、科研、科普多功能观测站。，目前珠海市政府已经答应投入约3亿元经费启动天琴计划基础建设，主要负责山洞实验室的挖掘、多功能观测站的站址土地平整和上山道路的修建。综合研究大楼、山洞超静实验室的洁净实验室工程、多功能观测站的基建工程以及各种仪器设备还需要另外寻求资金渠道支持。 总的来说，引力波有望为人类描绘一幅全新的宇宙图像，有望对天文学和宇宙学带来深远的影响。引力波的实验探测有助于在极端条件下研究引力理论、研究剧烈的天体物理过程和极端致密天体的物质特性、探索超大质量黑洞和星系的形成、甚至提供有关极早期宇宙和量子引力的部分信息等。通过积极开展空间引力波探测实验，一方面可以帮助我国空间探索技术走向世界前列，另一方面相关技术也可以在国民经济和国家安全方面发挥重要作用。 天琴研究中心TianQin Research Center 中山大学物理与天文学院School of Physics and Astronomy, Sun Yat-sen University 珠海市唐家湾镇中山大学珠海校区行政办公楼Office building, SYSU Zhuhai Campus, Tangjiawan, Zhuhai |
