中大校长详解“天琴计划”：三星上天布阵捕捉引力波
超紧凑双白矮星系统 ■制图/廖木兴
■新快报记者 王 娟 沈逸云 通讯员 黄 毅
中山大学校长罗俊详解“天琴计划”——
计划预期执行期为2016-2035年,将分四阶段实施
刚刚与人类首次“照面”的引力波,引起了全世界的关注,再次点燃了人类加大探测引力波的热忱。2月16日,随着中国科学院公布了一项新的探测引力波的“空间太极计划”,中国科学家一系列与引力波探测相关的计划也浮出水面,备受关注。其中,由中山大学发起的空间引力波探测工程“天琴计划”于去年7月正式启动。
近日,引力物理专家、中国科学院院士、中山大学校长、“天琴计划”领衔人罗俊接受采访时,详解“天琴计划”。据悉,这项由中国自主开展空间引力波探测的可行方案,计划从2016年到2035年分四阶段进行,将向太空发射三颗卫星探测引力波。
20年内送3颗卫星入太空
“‘天琴’能探测到比LIGO更大质量的黑洞。”相对于首次发现引力波的LIGO而言,天琴计划有何不同呢?罗俊在接受采访时表示,LIGO是在地面探测高频段引力波,而“天琴计划”则是将在空间中进行测量,探测低频段引力波。低频段的引力波,是连续的引力波,其反映出来的东西更多元更丰富,一方面可从侧面验证LIGO引力波源、引力波传播的性质,另一方面也可能探测到大质量甚至超大质量的黑洞。
“在目前讨论的初步概念中,天琴将采用三颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列。”中山大学天文与空间科学研究院院长李淼教授介绍,卫星将在以地球为中心、高度约10万公里的轨道上运行,针对确定的引力波源进行探测,既避免测到引力波信号却无法确定引力波源的问题,而且有望帮助节约大量卫星发射方面的成本。
据介绍,“天琴计划”将发射三颗卫星(SC1、SC2、SC3),这三颗卫星在太空中的分列图类似乐器竖琴,故命名为“天琴计划”。罗俊表示,“天琴计划”将用15至20年的时间上天。
计划将分四阶段实施
据介绍,总体规划上,“天琴计划”预期执行期为2016-2035年,分四阶段实施。
第一阶段为2016-2020年,该阶段将完成月球/深空卫星激光测距、空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验所需关键技术研发。主要研发成果包括:新一代月球激光测距反射器、月球激光测距台站、高精度加速度计、无拖曳控制(包含微推进器)、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距技术等。
第二阶段为2021-2025年,该阶段将完成空间等效原理检验实验和下一代重力卫星实验工程样机,并成功发射下一代重力卫星和空间等效原理实验卫星。主要研发成果包含:超静卫星平台、高精度大型激光陀螺仪,以及进一步提高加速度计、无拖曳控制(包含微推进器)、高精度星载激光干涉仪、星间激光测距等技术。
第三阶段是2026-2030年,该阶段将完成空间引力波探测关键技术、卫星载荷工程样机。
第四阶段是2031-2035年,该阶段将进行卫星系统整机联调测试、系统组装,发射空间引力波探测卫星。
记者了解到,目前世界上最主要的引力波探测器有美国的LIGO、法国和意大利的Virgo、德国的GEO600和日本的TAMA300(以及KAGRA)等地面探测器。本月11日,LIGO科学合作组宣布探测到来自GW150914双黑洞合并事件的引力波轰动全世界。
李淼表示,“天琴计划”将以在中山大学珠海校区建设天琴计划综合研究设施为重要内容,以发展空间引力实验关键技术为导向,在引力理论与实验分析、卫星平台与控制、光学测量与遥感、地月系统物理实验四个方面展开系统研究,培育大科研团队。
“天琴”如何工作
天琴实验的三颗卫星分别为SC1、SC2、SC3,三颗卫星在太空中的分列图类似乐器竖琴,卫星本身作高精度无拖曳控制以抑制太阳风、太阳光压等外部干扰,卫星之间以激光精确测量由引力波造成的距离变化。
罗俊解释说,三颗卫星上将安装推力可以精细调节的微牛级推进器,实时调节卫星的运动姿态,使得检验质量始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。高精度的激光干涉测距技术将被用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量之间的细微距离变化,从而获得有关引力波的信息。
其中,RX J0806.3+1527是一个周期仅有5.4分钟的超紧凑双白矮星系统,它产生的引力波将是天琴一个重要探测对象。选择天琴三颗卫星的轨道面,使它正对RX J0806.3+1527,从而获得最大的响应。
“天琴”准备如何?
技术:已有20多年技术储备
“我们为天琴计划已做了20多年的技术储备。”罗俊表示,在技术方面,对引力常数的测量、引力定律检验的研究,我国都处于世界的前沿。他介绍,在星间激光测距方面已有很多年积累,惯性传感器方面也做了10多年的技术积累。
空间:将建山洞超静实验室和多功能观测站
而在空间方面,“天琴计划”在中大珠海校区建研究中心,其综合设施的第一期工程包括3万平方米的天琴综合研究大楼,1万平方米的山洞超静实验室,位于南山山顶的5000平方米教学、科研、科普多功能观测站。
资金:预计需要150亿元
在资金方面,“天琴计划”资金需求也很庞大,预计需要150亿元左右。“具体金额要随着研究一步步地来,现在无法严格预估出需要多少钱。”李淼解释,每个部分计划不一样,且因资金庞大,来源也是多方面的,不排除地方、民间企业的赞助。目前,珠海市政府已经答应投入约3亿元经费启动“天琴计划”的基础建设。他表示,“天琴计划”接下来期望成为国家发改委支持下的重大科技基础设施建设项目,即“大科学工程”,一旦成功,就有平台建设的投入,建成后每年还有一定数量的运行费。
人才:面向全球以百万年薪招聘
在人才方面,罗俊说,“天琴计划”需要物理、材料、光学、航空航天、自动控制、机械、精密测量等多方面的技术和人才。“天琴计划”将培养一批务实进取、追求卓越的年轻人才。
“但从某种意义上来说,‘天琴计划’比阿波罗计划要困难。”罗俊坦言,就目前的情况来看,“天琴计划”将需要100人左右的教师团队,四五百人的研究、工程技术人员以及博士后。为此,中山大学此前已发布招聘启事,面向全球以百万年薪招聘“天琴计划”相关人员,预期通过5年时间凝聚100人以上的科研队伍。
“天琴”哪些 可为民用?
罗俊表示,“天琴计划”不仅仅是基础研究,其发展起来的关键技术可用于很多领域,如精确测量地球重力场,使我们对地球有更加深刻的了解,例如了解水资源、矿产资源的分布与变化,同时也可广泛应用于精密测量领域。
■链接
“天琴计划” 基础设施工程 设计方案公布
新快报讯 记者陈婕报道昨日,珠海城建市政建设有限公司向社会公示了“天琴计划”基础设施工程设计方案,并向市民广泛征求合理化建议和意见。这标志着“天琴计划”进入了实质性进展阶段。
根据珠海城建的项目公告,“天琴计划”的基础设施工程,将在位于珠海的凤凰山上建设。建设用地本工程包括校区通往山顶观测台站的防火通道工程,山洞实验室主体工程和地月激光测距观测台站场地平整工程三个子项目。
公示时间为2月17日至2月24日。