9月16日，國際最權威的天文刊物之一Nature Astronomy（《自然·天文》）雜志刊登了由中國科學家龔云貴、羅俊、王斌撰寫的論文Concepts and status of Chinese space gravitational wave detection projects，全方位地介紹中國的“天琴”及“太極”計劃的歷史、概念及進展。這是中國科學家第一次在頂尖國際雜志對中國空間引力波探測計劃做完整系統的介紹，并對未來參與國際競爭與合作發出中國聲音。
中國科學家在文中首次提出，如果中外的空間引力波探測計劃如期實現，那么到本世紀30年代，歐洲的LISA，中國的天琴計劃、太極計劃，通過優勢互補、相互協作，將有望確定引力波波源等重大宇宙信息，從而為人類揭開更多宇宙奧秘。
文章顯示，LISA計劃、天琴計劃、太極計劃都是探測低頻引力波的太空探測方案。如果本世紀30年代這三個計劃都順利執行，到時不僅是各顯神通，更重要的科學意義在于這三個空間引力波觀測站能否互相協作，共同揭示更深刻的引力物理本質與宇宙奧秘，這是值得我們期待的。
引力波是時空的漣漪，她能告訴我們關于宇宙起源、演化和時空結構的信息。100多年前愛因斯坦廣義相對論就已經預言了她的存在。2016年2月11日，美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)宣布在2015年9月14日人類首次直接探測到了引力波，證實了愛因斯坦的預言。這是21世紀物理學最重大的發現，它宣告了引力波天文學時代的到來。2017年，這一發現獲得了諾貝爾物理學獎。到目前為止，美國的LIGO和歐洲的Virgo觀測到了50多個引力波事件，這些信號都是由天體中恒星級雙黑洞、雙中子星、黑洞與中子星或黑洞與其他奇異致密星體合并產生的。
但地面引力波探測器有局限性，只能檢測到由恒星級黑洞或中子星并合所發出的頻率較高的短暫強烈的引力波。“人類要探測低頻引力波只能到太空去。”論文作者之一、上海引力波探測前沿科學中心與揚州大學引力與宇宙學中心王斌教授說，也因此歐美發達國家很早就布局了空間引力波探測計劃，LISA就是其中最有名的一個。
與此同時，中國科學家從來沒有放棄對這一最前沿的科學問題的探索。天琴計劃首席科學家、中國科學院院士羅俊教授自上個世紀80年代就開始埋首于引力基礎實驗研究，90年代中期開始引力波探測隔振關鍵技術研究，于2000年布局了空間慣性傳感技術的研究，2002年布局了星間激光干涉測量技術的研究，這是在太空中進行引力波探測的幾項最核心的技術。經過多年的發展，羅俊教授團隊的空間加速度計在國內率先進行了在軌飛行試驗，為我國自主開展空間引力波探測奠定了關鍵技術基礎。團隊始終堅持走自主發展的道路，于2014年在國內率先提出要自主開展我國的空間引力波探測天琴計劃，并制定了“0123”的技術路線。
天琴計劃的方案被稱為中國方案，與歐洲LISA計劃不同，它的目標是在2035年前后，在約10萬公里高的地球軌道上，部署3顆全同衛星，構成邊長約為17萬公里的等邊三角形星座，建成空間引力波天文臺“天琴”，開展引力波的空間探測。
同為中國空間引力波探測的太極計劃，與歐洲LISA計劃基本相同，在距離地球約5000萬公里的軌道上，發射三顆全同衛星，三星編隊軌道以太陽為中心，設計干涉臂臂長即衛星間距300萬公里。2016年，提出該計劃的中國科學院為實現它制定了“三步走”發展路線。
天琴、LISA、太極，三個計劃，前者是地心軌道方案，后兩者是日心軌道方案，需要相同的核心技術，也有各自不同的技術難題，但對空間引力波探測具有互補性。該論文分析，三個探測計劃里，單個探測器對于不同空間方位的敏感度不同。三個探測器聯合起來不僅可以覆蓋更寬廣的空間，而且可以更加精確地確定引力波源的物理參數，從而更好地理解種子黑洞的起源及演化、宇宙的起源及演化與引力的本質特性等。
“與LISA和太極相比，天琴對相對高頻信號（0.1赫茲）觀測更加敏感，由于波源定位能力隨頻率增大而提高，天琴在對高頻引力波波源的定位能力方面具有明顯的優勢。考慮到LISA與天琴不同的設計理念與運行軌道，它們聯合觀測時能互補，在1-100毫赫茲范圍內，LISA-天琴聯合觀測網的定位精準度比單個探測器高且定位效率也高，覆蓋天區范圍更廣闊。天琴的敏感頻率在幾十毫赫茲頻段，它的定位及探測能力不會受到探測器平面指向固定參考源的影響。”論文作者之一、華中科技大學教授龔云貴說，此外，太極探測器臂長大于LISA，在毫赫茲頻段太極比LISA敏感，盡管LISA與太極軌道類似，在毫赫茲頻段，LISA和太極的探測器平面轉動不但可以幫助其提高空間定位能力，而且可以幫助其覆蓋所有空間方位。
“聯合觀測不但可以極大提高對引力波源的空間定位能力，而且可以觀測到更寬的頻段及更大的空間范圍，從而為研究哈勃常數等宇宙學參數及宇宙演化提供新的觀測手段。” 王斌教授說，這是科學家們首次對三大計劃協同應用進行的理論研究新發現。
文章還介紹了中國的引力波探測計劃得到了黨和國家的高度重視。中國科技部啟動了引力波探測重點專項，國家航天局和教育部分別批準成立了引力波研究中心和天琴前沿科學中心，國家自然科學基金委啟動了引力波重大計劃，國家航天局、教育部、中國科學院等部門對引力波的研究也有了中、遠期布局。
目前，天琴計劃“0123”技術路線圖中的第“0”步的月球激光測距和第“1”步的“天琴一號”技術試驗衛星項目已經順利開展，作為第“2”步的“天琴二號”衛星項目正在順利推進中。太極計劃也完成了三步走中的第一步，正在推進后續工作。兩個計劃的工作得到了國際上越來越多科學家的關注和重視。
Nature Astronomy是國際頂級學術期刊Nature(自然)于2017年創立的自然科學類子刊，是天文學領域國際權威學術期刊。
原文鏈接：https://wap.peopleapp.com/article/6309183/6201904
