中科院太極計劃：到太空尋找引力波

猴年春節已經過去，但春節期間“刷屏”的科學大事件——引力波，余溫尚存。

就在前不久，中國科學院首次披露了一項宏偉的科學項目——空間太極（Taiji）計劃，預計在2030年前后發射引力波探測衛星組，進行中低頻波段引力波的直接探測。

那么，中科院祭出的這位“太極推手”究竟有何高招？它能否一舉將中國推向引力波研究的最前沿？

三星探空 承載中國科研夢

“引力理論的空間檢驗蘊含著自然科學的重大突破，中國科技界應在這方面逐步產生重要貢獻。” 太極計劃首席科學家、中科院院士胡文瑞說。

雖然是剛剛向公眾揭開神秘面紗，但太極計劃的醞釀和前瞻布局，其實早在引力波被發現數年前就開始了。

2008年由中科院發起，中科院多個研究所及院外高校科研單位共同參與，成立了中科院空間引力波探測論證組，開始規劃我國空間引力波探測在未來數十年內的發展路線圖。

2012年中科院空間引力波探測工作組成立，經過幾年的努力，目前已形成了一支以中科院科研人員為主的空間太極計劃工作組。已有來自科研機構和大學的十多個單位參與到空間太極計劃中。胡文瑞坦言，中科院做這件事的初衷，就是“要搞前沿、創新的科學研究”。

隨后，在中科院先導科技專項空間科學預先研究項目連續三期的資助下，工作組組織了各種學術交流活動，在引力波源的理論及探測研究和衛星技術研究上取得了諸多進展。目前，空間引力波探測已列入中科院空間2050年規劃。

對于科學家來說，這是一個令人興奮的大計劃。太極計劃將發射由位于等邊三角形頂端三顆衛星組成的引力波探測星組，用激光干涉方法進行中低頻波段引力波探測。它的主要科學目標是觀測雙黑洞并合和極大質量比天體并合時產生的引力波輻射，以及其它的宇宙引力波輻射過程。

太極計劃的衛星將采用無拖曳技術，星組中衛星間距300萬公里，激光功率約2瓦，望遠鏡口徑約0.5米，加速度噪音、測距精度等技術指標總體上優于歐洲空間局LISA計劃的要求，而頻率范圍覆蓋了LISA的低頻和日本DECIGO計劃的中頻。

除了直接劍指引力波外，太極計劃所涉及的學科領域之廣、前端技術之多，簡直令人咋舌。它涵蓋了物理學、天文學、宇宙學、天體物理、空間科學、光學，以及精密測量、航天技術、導航與制導、飛行器與軌道設計等學科，需要突破空間超遠距離超高精度激光測量、超高靈敏度慣性傳感器，以及超高精度衛星無拖曳控制等下一代高端空間技術。這個宏偉計劃的設計和實施再次體現了中科院做為科技國家隊的綜合實力。

在胡文瑞看來，這些技術對于提升我國空間科學和深空探測的技術水平具有重要意義，對慣性導航、地球科學、高精度衛星平臺建設等應用領域也將發揮積極的作用。

太空：更大的舞臺

此次發現引力波的美國LIGO（激光干涉引力波觀測站）是基于地面的觀測系統，多年來經過不斷升級，靈敏度大大提高，最終第一次捕捉到了引力波信號。

“然而，基于地面的引力波探測實驗裝置，受空間距離的限制和地球重力梯度噪聲的影響，無法探測低于10Hz的引力波，研究目標較為有限。” 太極計劃首席科學家、中科院大學副校長、中科院院士吳岳良說，“因此，多國科學家都在加緊開展空間引力波探測的研究計劃。”

在中國，太極計劃和另一項由中山大學發起的天琴計劃都在此列，但二者的科學目標和探測手段卻各不相同。

“太極計劃主要是用激光干涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測，以觀測雙黑洞并和和極大質量比天體并合時產生的引力波輻射，及其它的宇宙引力波輻射過程。太極計劃的衛星組處于太陽同步軌道。研究表明，這個軌道上的衛星組在相距300～500萬千米時，探測到的引力波是一個具有獨特波段的引力波，是其它實驗所不能觀測的波段，可幫助我們理解中等和大質量黑洞的結構和形成以及它們如何成長為超大黑洞的過程，因通常認為星系的中心是一個中等和大質量的黑洞。高精度的實驗還可測量對愛因斯坦廣義相對論的修正，探測超越愛因斯坦廣義相對論的量子引力理論。另外，結合微波背景輻射的測量，引力波成為探測早期宇宙的重要手段，這個波段的引力波研究可對應于TeV能量標度的早期宇宙，正好接近于目前大型對撞機所能達到的能量，是一個對新物理現象敏感的能量標度。”吳岳良說。

相比之下，天琴計劃發射的三顆衛星在以地球為中心，在高度約１０萬公里的軌道上運行，構成一個等邊三角形陣列，對一個周期為５.４分鐘的超緊湊雙白矮星系統ＲＸＪ０８０６．３＋１５２７產生的引力波進行探測。

美國麻省理工學院物理學院研究員蘇萌也看好空間探測的優勢。“空間衛星探測一方面可以實現全天區的觀測，另一方面可以實現更寬頻段的觀測”。

蘇萌告訴《中國科學報》記者，空間探測理論上可能能夠看到兩種黑洞的并和過程。具體來說，一種是兩個質量差不多的黑洞并和，以及后期演化的宇宙學，也就是觀測黑洞后期是如何成長；另外一種則是一個大質量黑洞旁邊有恒星級黑洞掉進去的天體變化過程。

集合了國內相關研究的積累以及與國外合作的經驗，國內空間探測所看到的天體物理起源與地面探測將完全不同，蘇萌也對空間探測能夠發現的信息表示出了興趣。在他看來，空間探測有可能給基礎物理學帶來重大突破。“對廣義相對論的檢驗，對天體物理過程，比如銀河系內或者說從高紅移到中紅移中間黑洞的演化等，都有可能實現突破。”

中國的，世界的

空間引力波探測和研究需要許多先進技術。如在空間激光干涉儀方面需要穩頻和鎖相的大功率激光器和激光干涉系統；需要用無拖曵技術控制的高精度光學平臺；需要測量超低重力水平的慣性傳感器；需要控制各種噪聲以分辨出引力波引起的微小距離的變化；以及需要與實驗設備一體化的衛星研制。

“我國目前的技術能力與國際先進水平還有一定的差距，這種差距可以通過良好的國際合作得到一定的彌補。”吳岳良說，“目前太極計劃工作組與國際同行已建立了廣泛的聯系。”

因此，太極計劃將是一項中歐雙方參與的國際合作計劃。

胡文瑞告訴《中國科學報》記者，太極計劃目前開展兩個方案的研究。方案之一是參加歐空局的eLISA雙邊合作計劃，今年秋天將召開第三次雙方科學家會議，完成雙邊合作的可行性報告，然后各自向主管部門呈報，由雙方主管部門審批后執行。

方案之二是發射一組中國的引力波探測衛星組，與2035年左右發射的eLISA衛星組同時邀游太空，進行低頻引力波探測，這一方案擬于2033年前后發射，實現我國大型先進科學衛星計劃的突破，屆時中國與歐洲將同時在空間獨立進行引力波探測，互相補充和檢驗測量結果。

胡文瑞告訴記者，按照歐空局規定，所有重大的項目的參與方需要投入20%。第一個方案中，歐空局投入經費為10億歐元，所以中方需要出資2億歐元。第二個方案中，又有兩個規劃，一個規劃是中歐雙方各出資10億歐元，形成兩組獨立的衛星組，各采用兩路激光干涉。另一規劃是中國發射的三顆衛星組，采用雙向激光干涉，共六路激光干涉，可直接相互檢驗測量結果。

    “大科學工程的基礎科學研究必須開展國際合作，我們參與歐空局的項目，不僅可以學習到他們三十年來積累的經驗和技術，同時，我們也希望能夠組建自己的衛星組，對測量結果能夠相互進行驗證。” 吳岳良告訴記者。

在探測引力波的衛星計劃方面，歐洲已經開展了近30年的研究。1993年，歐空局首先提出激光干涉空間天線（LISA）計劃，進行空間引力波測量。在最初的設計中，該天線陣列由在太陽軌道上的三個探測器組成，三個探測器之間的距離500萬千米，采用雙向激光干涉，共六路激光干涉。后來受經費的限制，修改了方案，三個探測器之間采用兩路激光干涉，同時該計劃更名為eLISA，已被歐空局正式列入L3計劃。2015年底，歐空局發射了關鍵技術驗證衛星LISA探路者（LISA-Pathfinder）。

空間太極計劃工作組每年組織其成員參加eLISA項目召開的年會，進行交流探討。另外，空間太極計劃工作組已與eLISA 項目的主要牽頭單位德國馬普學會引力物理研究所和愛因斯坦研究所組織召開了兩次雙邊會議，并形成了雙方合作的備忘錄。事實上，空間太極計劃部分儀器設備的研制水平和技術已基本達到eLISA項目的要求。

    “我們現在要加快步伐了。”胡文瑞說，最終采取哪個方案，將取決于國家的決心和投入，但無論是哪種方案，最終都將與歐空局合作，強強聯合開展引力波探測研究。中國科學家有能力在探索未知世界的奧秘中展現我們的智慧和才華。（丁佳 王佳雯 倪思潔）