一起了解中國版引力波探測計劃:中山大學「天琴計劃」

　　物理學在過去的世紀裡得到了高速發展,人們因此認識到在自然界中存在著四種基本的相互作用，它們包括與日常生活緊密相關的萬有引力作用和電磁相互作用、以及在微觀粒子間變得重要的弱相互作用和強相互作用。相比於其他三種基本相互作用，萬有引力統治著日月星辰的運動和整個宇宙的演化，具有特殊的重要性。愛因斯坦的廣義相對論是目前描述萬有引力的最好理論，一百多年來它已經成功通過了各種實驗檢驗，到現在為止還沒有發現被破壞的跡象。如同麥克斯韋的電磁學理論預言了電磁波一樣，愛因斯坦的廣義相對論也預言了引力波的存在。但是由於產生引力波的條件極其苛刻，人工手段很難產生能夠被探測到的引力波。自然界中，相互繞轉的緊湊雙星系統、大質量天體的碰撞合併、超新星爆發等極端事件都能產生較強的引力波。但這類波源通常或者離地球很遠、或者出現的機率很低，使得引力波的直接探測成為一個極具挑戰的世紀難題。

　　1974年，Russell Hulse 和Joseph Hooton Taylor, Jr.首次在雙星系統中發現一顆變星，他們藉此觀察到這個雙星系統的演化與廣義相對論預言的通過引力波輻射造成軌道周期變化的結果一致，從而間接證明了引力波的存在。兩位科學家因此獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

　　Joseph Weber是第一個試圖通過實驗直接探測引力波的人。他在上世紀60年代建造了長2米、直徑1米的鋁棒探測器，試圖用於記錄由引力波引起的共振信號。Weber的努力促使了引力波探測器在世界各地的發展。中山大學引力物理研究室也於上世紀七十年代建造了常溫共振型引力波天線，其測量靈敏度可達到10-17，為當時國際同類引力波天線的最高水平之一。目前世界上最主要的引力波探測器有美國的LIGO，法國和義大利的Virgo，德國的GEO600和日本的TAMA300（以及KAGRA）等地面探測器。2016年2月11日，LIGO科學合作組宣布探測到來自GW150914雙黑洞合併事件的引力波，舉世矚目。

　　由於受地面震動影響，地面引力波探測器普遍只對幾十赫茲以上的引力波信號敏感，因此其探測目標主要集中在類似雙星合併、超新星爆發、表面有山包的高速旋轉中子星等系統上，其作為天文觀測手段的距離能力也相對有限。為了利用引力波研究自然界中更普遍的穩定雙星系統、更有趣的超大質量黑洞合併、以及超大質量黑洞俘獲普通天體等過程，並且把觀測範圍延伸到更早期宇宙，人們需要建造工作在更低頻段上的空間引力波探測器。這方面的代表是美國宇航局（NASA）與歐空局（ESA）在2001~2011年間合作支持的LISA項目，原計劃發射三顆衛星形成臂長500萬公裡的等邊三角形，在地球後方約0.5億公裡的地方跟隨地球繞太陽運行。由於經費和計劃變更等原因，NASA於2011年退出了合作。歐洲科學家於是提出了臂長100萬公裡，將LISA中三顆全同衛星改為一顆母星帶兩顆伺服子星的修改版LISA（即eLISA）計劃。其技術驗證星LISA pathfinder已經於2015年底發射升空，將在隨後幾個月裡對空間引力波探測所需要的高精度雷射幹涉測量和高精度加速度噪聲抑制等幾項關鍵技術進行檢驗。LISA pathfinder成功後將有助於eLISA最終從歐空局獲得資助。目前最有可能的是被選中成為歐空局宇宙視野（Cosmic Vision）計劃的第三次大科學任務，於2034年發射升空。NASA重返eLISA的工作也已經於近期啟動。

　　我國科學家於2009年10月和2011年8月分別召開第332次和403次香山會議，就引力波探測的相關理論與實驗工作進行了深入的討論，並先後提出ASTROD和ALIA空間引力波探測計劃。其中，ASTROD計劃瞄準10-3~10-5Hz的引力波，幹涉儀臂長為3×108公裡，是一個技術難度比LISA還高的空間任務概念。ALIA採取與LISA完全相同的軌道與天線構型，只是幹涉儀臂長縮短10倍，探測引力波頻段也提高10倍。

　　天琴計劃的出發點是切實根據我國的技術能力實際和未來幾十年的發展前景，提出我國自主開展空間引力波探測的可行方案。在目前討論的初步概念中，天琴將像LISA一樣，採用三顆全同的衛星構成一個等邊三角形陣列，每顆衛星內部都包含一個或兩個極其小心懸浮起來的檢驗質量。衛星上將安裝推力可以精細調節的微牛級推進器，實時調節衛星的運動姿態，使得檢驗質量始終保持與周圍的保護容器互不接觸的狀態。這樣檢驗質量將只在引力的作用下運動，而來自太陽風或太陽光壓等細微的非引力擾動將被衛星外殼屏蔽掉。高精度的雷射幹涉測距技術將被用來記錄由引力波引起的、不同衛星上檢驗質量之間的細微距離變化，從而獲得有關引力波的信息。與LISA或eLISA不同的是，天琴的衛星將在以地球為中心、高度約10萬公裡的軌道上運行，針對確定的引力波源進行探測。這樣的選擇能夠避免測到引力波信號卻無法確定引力波源的問題，而且有望幫助節約大量衛星發射方面成本。天琴的實驗技術方案會在未來的研究中進一步優化，以實現其科學價值最大化。

圖 天琴空間引力波探測實驗示意圖。

　　天琴實驗本身將由SC1，SC2，SC3三顆衛星組成，衛星本身作高精度無拖曳控制以抑制太陽風、太陽光壓等外部幹擾，衛星之間以雷射精確測量由引力波造成的距離變化。RX J0806.3+1527是一個周期僅有5.4分鐘的超緊湊雙白矮星系統，它產生的引力波將是天琴一個重要探測對象。我們選擇天琴三顆衛星的軌道面，使它正對RX J0806.3+1527，從而獲得最大的響應。

　　空間引力波探測帶來了前所未有的技術挑戰。它首先要求三顆衛星非常精確的進入一個預先選定的軌道，之後衛星的姿態控制要求到0.05°級別，衛星核心區域的溫度漲落小到10-6度級別，雷射測距的精度要求做到10-12米級別，擾動抑制要求做到地球表面重力加速度的10-16倍。為了穩步實現這些目標，整個天琴計劃將以若干技術先導實驗項目為依託，採取分步實施的發展方案。

　　● 0顆星 - 為了滿足天琴衛星對入軌精度的要求，天琴計劃將首先發展月球和深空衛星雷射測距技術，幫助實現對天琴衛星毫米級的定軌精度；

　　● 1顆星 - 空間等效原理檢驗實驗：利用一顆衛星在約700公裡的軌道高度上將等效原理的檢驗提升到10-16水平；

　　● 2顆星 - 下一代重力衛星實驗：利用兩顆衛星在約400公裡的軌道高度上、藉助雷射測距對全球重力場進行高精度測繪；

　　● 3顆星 - 天琴空間引力波探測實驗：探測引力波。

　　以上四項內容構成了目前天琴計劃的主體，根據每項任務需要的衛星數目，也稱之為「0123」計劃。

　　總體規劃上，天琴計劃預期執行期為2016-2035年，分四階段實施：

　　(1) 2016-2020年：完成月球/深空衛星雷射測距、空間等效原理檢驗實驗和下一代重力衛星實驗所需關鍵技術研發。主要研發成果包括：新一代月球雷射測距反射器、月球雷射測距臺站、高精度加速度計、無拖曳控制（包含微推進器）、高精度星載雷射幹涉儀、星間雷射測距技術等；

　　(2) 2021-2025年：完成空間等效原理檢驗實驗和下一代重力衛星實驗工程樣機，並成功發射下一代重力衛星和空間等效原理實驗衛星。主要研發成果包含：超靜衛星平臺、高精度大型雷射陀螺儀、以及進一步提高加速度計、無拖曳控制（包含微推進器）、高精度星載雷射幹涉儀、星間雷射測距等技術；

　　(3) 2026-2030年：完成空間引力波探測關鍵技術，完成衛星載荷工程樣機；

　　(4) 2031-2035年：進行衛星系統整機聯調測試、系統組裝，發射空間引力波探測衛星。

　　最近幾年，天琴計劃的發展將以在中山大學珠海校區建設天琴計劃綜合研究設施為重要內容。我們將發展空間引力實驗關鍵技術為導向，在引力理論與實驗分析、衛星平臺與控制、光學測量與遙感、地月系統物理實驗四個方面展開系統研究，培育大科研團隊。預期通過5年時間的發展，凝聚100人以上的科研隊伍，同時積極向國家申請建立「天琴計劃國家重大科學工程基礎設施項目」。預期建成以後可以使中山大學和珠海成為我國空間引力實驗和其他空間精密測量物理的最重要研究中心。

　　天琴計劃綜合設施的第一期工程包括3萬平方米的天琴綜合研究大樓、1萬平方米的山洞超靜實驗室、位於南山山頂的5千平方米教學、科研、科普多功能觀測站。，目前珠海市政府已經答應投入約3億元經費啟動天琴計劃基礎建設，主要負責山洞實驗室的挖掘、多功能觀測站的站址土地平整和上山道路的修建。綜合研究大樓、山洞超靜實驗室的潔淨實驗室工程、多功能觀測站的基建工程以及各種儀器設備還需要另外尋求資金渠道支持。

　　總的來說，引力波有望為人類描繪一幅全新的宇宙圖像，有望對天文學和宇宙學帶來深遠的影響。引力波的實驗探測有助於在極端條件下研究引力理論、研究劇烈的天體物理過程和極端緻密天體的物質特性、探索超大質量黑洞和星系的形成、甚至提供有關極早期宇宙和量子引力的部分信息等。通過積極開展空間引力波探測實驗，一方面可以幫助我國空間探索技術走向世界前列，另一方面相關技術也可以在國民經濟和國家安全方面發揮重要作用。

　　天琴研究中心TianQin Research Center

　　中山大學物理與天文學院School of Physics and Astronomy, Sun Yat-sen University

　　珠海市唐家灣鎮中山大學珠海校區行政辦公樓Office building, SYSU Zhuhai Campus, Tangjiawan, Zhuhai