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中科院提出空间太极计划：探测中低频波段引力波

　　2016 年 2 月 11 日 LIGO（激光干涉引力波观测站）实验组宣布直接观测到引力波信号。这一划时代的发现不仅是对爱因斯坦广义相对论一次意义非凡的直接验证，也为人类进一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了一个全新的观测手段。中国科学院经过论证，提出空间太极计划，规划我国空间引力波探测在未来数十年内的发展路线图。按照空间太极计划我国将在 2030 年前后发射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的直接探测。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。

　　宇宙中引力波来自天体的能量和质量变化，不同频率的引力波对应于不同的天体物理过程。引力波谱的分析表明，地面观测的高频(>10Hz) 引力波主要对应于致密双星的引力辐射。此次 LIGO（激光干涉引力波观测站）实验组宣布直接观测到引力波信号就属于高频信号。上世纪 60 年代，人们开始在地面用共振天线探测引力波，但是由于灵敏度不够而未获得肯定的结果。90 年代以来，人们开始用激光干涉方法在地面测量引力波，臂长分别达到 4 公里(美国的 LIGO)，3 公里(意、法合作的 VIRGO)，600 米(德、英合作的 GEO)，和 300 米(日本的 TAMA300)，其技术水平比共振天线法的探测灵敏度提高了四个数量级，使得 LIGO 实验组最终能够直接观测到引力波的信号。

　　中频波段的引力波源主要是中等质量的致密双星(黑洞、中子星、白矮星)，以及宇宙大爆炸早期(10-34 秒以后)产生的引力波。近些年来基于地面的引力波探测实验装置，由于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 的中低频引力波，使其研究目标变得较为有限。为此，多国科学家都在加紧开展空间引力波探测的研究计划，空间激光干涉法测量中、中低频引力波将是天文学和空间宇宙物理最前沿的课题。

　　1993 年欧洲空间局(ESA)首先提出激光干涉空间天线(LISA)计划，在中低频波段进行空间引力波测量。1997 年美国空间局(NASA)加入，成为欧、美联合计划。LISA 计划的引力波源是双星系、超大质量双黑洞和大质量比双黑洞的并合、普通星系核中大质量黑洞捕获恒星质量黑洞、超致密双星、以及大质量天体的爆炸等。2015 年底已发射了 LISA 的关键技术验证卫星 LISA-Pathfinder，计划于 2025 年左右发射(可能延至 2030 年或以后)由三颗各相距 500 万公里，装有空间激光干涉仪的卫星组进行空间引力波探测。最近，美国提出的后“爱因斯坦计划”包括两颗星，其中一颗是“大爆炸观测者”，着重于探测地面和 LISA 之间的中频引力波。日本也提出了在相似频段观测引力波的 DECIGO 计划。中频波段的引力波源主要是中等质量的致密双星(黑洞、中子星、白矮星)，以及宇宙大爆炸早期(10-34 秒以后)产生的引力波。

　　2008 年由中国科学院发起，中科院多个研究所及院外高校科研单位共同参与，成立了中国科学院空间引力波探测论证组，开始规划我国空间引力波探测的，经过几年的努力，目前已形成了空间太极（Taiji）计划工作组。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 的低频和 DECIGO 的中频。

　　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。

　　空间引力波探测和研究同样需要许多先进技术。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。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，太极计划提出的正是中欧合作的国际合作计划，它有两个方案。方案I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 II 就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。方案 II 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。

　　对于日前备受关注的中山大学发起天琴计划，中国科学院力学研究所胡文瑞院士表示，天琴计划不仅仅是引力波观测，还包括地球重力测量等其他观测内容，对引力波的观测在地球轨道，而空间太极计划由中国科学院发起，计划专注于观测中低频段的引力波，观测轨道在太阳轨道，实现多维观测引力波。胡文瑞院士还表示：“中国做引力波研究的人不是太多而是太少，希望越来越多的人能共同参与到引力波的研究中来。”（郭祎）

　　附：太极（Taiji）、LISA、eLISA 计划设计指标

	Taiji 预研究方案	LISA	eLISA
臂长	3×10⁹m	5×10⁹m	1×10⁹m
测距精度	5-10 pm Hz^-1/2	18 pm Hz^-1/2	11pm Hz^-1/2
激光功率	2W	2W	2W
望远镜直径	~50cm	40cm	20cm
检验质量加速度噪声	3×10^-15ms^-2Hz^-1/2	3×10^-15ms^-2Hz^-1/2	3×10^-15ms^-2Hz^-1/2