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专家:中国空间引力波探测计划应整合实力联合攻关

2020-05-07 作者:生命科学   |   浏览(85)

香山科学会议召开第649次学术讨论会

本报记者 丁佳 王佳雯 倪思洁

当前,中国空间引力波探测计划应尽快整合国内实力、开展联合攻关,开展相应的国际合作。在4月17日-18日举行的香山科学会议第649次学术讨论会上,此次会议执行主席之一、中科院力学研究所研究员、中科院院士胡文瑞在会议报告中呼吁。

猴年春节已经过去,但春节期间刷屏的科学大事件引力波,余温尚存。

《中国科学报》同时从此次会议上获知,目前正在推进的空间太极计划进展顺利,预计2033年发射太极探测星,并计划在2025年前后发射关键技术实验双星,验证空间关键技术,其背景型号项目已获科学院空间科学战略性先导A科技专项的立项支持。

就在前不久,中国科学院首次披露了一项宏伟的科学项目空间太极计划,预计在2030年前后发射引力波探测卫星组,进行中低频波段引力波的直接探测。

最好时代已到来

金沙js娱乐场官方网站,那么,中科院祭出的这位太极推手究竟有何高招?它能否一举将中国推向引力波研究的最前沿?

引力波是时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量,类似石头丢进水里产生的波纹。1919年,爱因斯坦在广义相对论中预言了引力波的存在。一个世纪以来,全世界科学家们都试图从实验上观察到引力波。

三星探空 承载中国科研梦

2016年2月美国LIGO宣布其两个观测站同时观测到引力波。这是人类首次在实验中直接观测到引力波,成为引力波研究历史上的重大突破,三位科学家因此获得2017年诺贝尔物理学奖。

引力理论的空间检验蕴含着自然科学的重大突破,中国科技界应在这方面逐步产生重要贡献。 太极计划首席科学家、中科院院士胡文瑞说。

在科学家们看来,当前, LIGO直接观测到引力波为后续研究的可行性提供了最有力的证据。

虽然是刚刚向公众揭开神秘面纱,但太极计划的酝酿和前瞻布局,其实早在引力波被发现数年前就开始了。

会议执行主席之一、中科院大学教授、中科院院士吴岳良告诉《中国科学报》:引力波提供了有别于电磁波的一个全新的观测宇宙的重要窗口,成为人类探索和认识未知世界的新的重要途径和手段。引力波携带着宇宙起源、演化、形成和宇宙结构的原初信息,使人类可通过引力波探测到基于电磁波天文望远镜所观测不到的宇观尺度和天体源,例如宇宙的黑暗时期、暗宇宙和黑洞等。

2008年由中科院发起,中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与,成立了中科院空间引力波探测论证组,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。

无疑,引力波研究的最好时代已经到来。

2012年中科院空间引力波探测工作组成立,经过几年的努力,目前已形成了一支以中科院科研人员为主的空间太极计划工作组。已有来自科研机构和大学的十多个单位参与到空间太极计划中。胡文瑞坦言,中科院做这件事的初衷,就是要搞前沿、创新的科学研究。

中科院率先布局

随后,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,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。目前,空间引力波探测已列入中科院空间2050年规划。

作为科研国家队,中科院在国内率先布局引力波相关研究。

对于科学家来说,这是一个令人兴奋的大计划。太极计划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引力波探测。它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。

2008年3月,原中国科学院基础局启动了引力波领域前沿科学问题的部署,中科院空间引力波探测论证组成立。考虑到引力波和微重力密不可分,有关引力波的前期研究被安排在力学研究所国家微重力实验室开展。胡文瑞告诉《中国科学报》。和胡文瑞同时加入论证组以中科院的专家为主,也吸纳了来自华中科技大学、东方红卫星公司等单位的专家。

太极计划的卫星将采用无拖曳技术,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、测距精度等技术指标总体上优于欧洲空间局LISA计划的要求,而频率范围覆盖了LISA的低频和日本DECIGO计划的中频。

2010年5月,胡文瑞等专家在前期工作基础上,形成一份《国家重大科技基础设施中长期重点建设项目建议》,这成为全国首个空间引力波观测的建议。这份建议书极具前瞻性,内容与当前正在开展的太极计划相差无几。除了卫星编队的距离当时提的是50万公里,别的参数都差不多。胡文瑞表示。

除了直接剑指引力波外,太极计划所涉及的学科领域之广、前端技术之多,简直令人咋舌。它涵盖了物理学、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学科,需要突破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。这个宏伟计划的设计和实施再次体现了中科院做为科技国家队的综合实力。

同一时期,欧空局1993年启动的空间引力波探测LISA计划由于美国NASA的退出,不得不将该计划简化为eLISA计划,并寻找新的合作伙伴。

在胡文瑞看来,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。

2011年,在首次eLISA联盟会议上,我国科学家提出了中国空间引力波探测计划,并从技术和科学目标考虑,优先选择间距为三百万公里的正三角形卫星编队,以太阳为中心落后或超前地球约二十度进行绕转。经多轮协商,中方提出以贡献20%仪器设备的条件参加eLISA或者独立研发三星组两个方案。

太空:更大的舞台

太极计划进展顺利

此次发现引力波的美国LIGO是基于地面的观测系统,多年来经过不断升级,灵敏度大大提高,最终第一次捕捉到了引力波信号。

2012年后,中科院空间引力波探测工作组在先导科技专项空间科学预先研究项目两期的资助下,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。

然而,基于地面的引力波探测实验装置,受空间距离的限制和地球重力梯度噪声的影响,无法探测低于10Hz的引力波,研究目标较为有限。 太极计划首席科学家、中科院大学副校长、中科院院士吴岳良说,因此,多国科学家都在加紧开展空间引力波探测的研究计划。

2016年,中科院启动了战略性先导科技专项引力波的多波段测量,其中包括了空间引力波计划。空间太极计划也相继走进大众视野,计划采用高精度星间激光干涉测距技术和无拖曳航天技术,瞄准中低频段引力波进行探测和研究,由胡文瑞和吴岳良担任该计划首席科学家。

在中国,太极计划和另一项由中山大学发起的天琴计划都在此列,但二者的科学目标和探测手段却各不相同。

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