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早在10年前，中科院國家天文臺就在西藏阿里建設觀測站，如今已頗具規模。去年7月23日，天琴計劃啟動，完成全部四個子計劃大約需要20年。

　　

美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)直接探測到引力波的新聞發布會，在全球引起轟動。這是一個科學史上的里程碑，如果說電磁波的發現，讓人類從此“看見”了宇宙，那么引力波則讓人類進入了“聆聽”宇宙的新時代。

　　

以此為開端，真正的引力波世界正如同一首氣勢恢弘的宇宙交響樂，等待著科學家們不斷發現并演繹出人類認識宇宙、利用自然的新篇章。

 

 

圖為西藏阿里天文臺。“阿里實驗計劃”的原初引力波觀測設備將在此安裝。

(中科院高能物理研究所供圖)

 

　　

LIGO聽到的是一個怎樣的引力波“音符”？那是兩個恒星級黑洞相撞融合，一個新的更大質量的黑洞誕生，并發出了新生的第一聲“啼哭”。這聲“啼哭”隨著宇宙膨脹，傳到了13億年后的地球。這個“音符”的頻率覆蓋35到250赫茲。

　　

其實，引力波的頻率很寬，最低的只有億億分之一赫茲。美國麻省理工學院物理系研究員蘇萌介紹，目前引力波根據其產生源不同，主要分四種，分布在不同頻率上，針對不同頻率，科學家采取了不同的探測手段。

　　

頻率最低的是原初引力波，它的波長跟整個宇宙的尺度差不多大，所以只能通過對宇宙大爆炸后遺留的光子場信號，即宇宙微波背景輻射，來尋找它。“2014年3月，美國哈佛史密松天體物理中心宣稱在南極觀測到了原初引力波，但隨后又發現出錯了。”蘇萌說，要從雜亂無章的各種引力波中辨認出帶有宇宙大爆炸初期引力波留下的獨特標記，的確太困難，需要不斷發展靈敏度更高的實驗來找尋。

　　

其次是大質量黑洞并合時發出的引力波，對應頻率在百萬分之一赫茲到億分之一赫茲之間。這種事件往往發生在星系與星系相撞的后期。

　　

科學家往往利用校準后的毫秒脈沖星，作為校準光源，在地面上用大型地面射電望遠鏡作為探測器，來觀測這種引力波。

　　

當頻率提升到十萬分之一到一赫茲，對應的信號來源更為豐富，比如中子星碰撞、超新星爆炸等產生的引力波。對應這個頻率的探測手段非常酷炫：空間衛星陣列。歐洲空間局著名的LISA (光學干涉空間陣列)，去年年底剛將首顆技術驗證星送上天，預計用20年左右時間完成。而我國則有中山大學的“天琴計劃”。

　　

引力波的高頻段是幾十到幾千赫茲，這就是這次LIGO—Virgo合作組宣布的，主要的信號源是中子星、恒星級黑洞等致密天體組成的雙星系統。探測手段就是地面數公里的激光干涉裝置。

　　

蘇萌說，“第一音符”固然值得載入史冊，但更多驚喜顯然會接踵而至，人類認識宇宙進入“引力波時代”，剛跨出了第一步。

　　

　　

從愛因斯坦的預言，到LIGO獲得直接觀測證據，足足跨越了百年。在這一過程中，中國科學家也在不斷尋覓、追求。早在上世紀70年代，中國科學家就開始了引力波研究，可惜因種種原因停滯了十幾年，造成了人才斷層。直到2008年，在中科院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士的推動下，中科院空間引力波探測工作組成立，引力波的中國研究再啟征程。

　　

目前，我國主要有兩個大型引力波探測項目，一個是由中科院高能物理研究所主導的“阿里實驗計劃”，一個是由中山大學領銜的“天琴計劃”。

　　

美國科學家在南極捕捉原初引力波失敗后，總結原因發現，他們錯將銀河系的前景輻射，當成了宇宙的“初啼”。阿里實驗計劃負責人、中科院高能所研究員張新民介紹，原初引力波太微弱，所以要選各種干擾盡量少的區域。“目前，根據大氣透射率，科學家在全球共選出了4個最佳觀測點，南半球是南極和智利阿塔卡馬沙漠，而北半球則在格陵蘭島和我國西藏阿里。”他分析，阿塔卡馬沙漠和阿里都處于中緯度，掃過的天區面積比高緯度地區要大很多，未來阿里將成為北半球天區第一個地面觀測點，開啟北天區原初引力波觀測的新窗口，與南半球相呼應。蘇萌介紹，美國哈佛大學、明尼蘇達大學、芝加哥大學等同行，都對阿里臺址很感興趣，希望一起合作。

　　

早在10年前，中科院國家天文臺就在阿里建設觀測站，如今已頗具規模。如今，相關設備已在研制中，中科院高能所副研究員李虹說，初步打算將設備安裝在阿里觀測站，但未來還將在附近選取更高更好的觀測點，“大氣越稀薄、水汽含量越少，干擾就越小，才越有希望看清原初引力波留下的痕跡”。

 

　　

“阿里實驗計劃”是在地面上聆聽引力波的音符，“天琴計劃”則是到太空中去捕捉引力波的聲響。

　　

去年7月23日，天琴計劃啟動。根據計劃，中山大學珠海校區將建設“天琴計劃”所需的地面研究基礎設施，并以此為基地開展國家大科學工程項目。

　　

“天琴計劃”主要將分四階段實施：第一階段完成月球/衛星激光測距系統、大型激光陀螺儀等天琴計劃地面輔助設施；第二階段完成無拖曳控制、星載激光干涉儀等關鍵技術驗證，以及空間等效原理實驗檢驗；第三階段完成高精度慣性傳感、星間激光測距等關鍵技術驗證，以及全球重力場測量；第四階段完成所有空間引力波探測所需的關鍵技術，發射三顆地球高軌衛星進行引力波探測。

　　

中山大學天文與空間科學研究院院長李淼說，完成全部四個子計劃，大約需要20年，投資大約150億元。目前，“天琴計劃”中的山洞超靜實驗室和激光測距地面臺站基礎設施建設已經啟動，部分關鍵技術研究也已經有具體進展。

　　

“由于這個項目還在進行中，所以不太方便透露更多細節。”他在接受采訪時說，“天琴計劃”所探測的引力波頻率與LIGO不同，從科學本身看，引力波探測將為人類開啟宇宙觀測的全新窗口，未來50年，引力波天文學將成為時空、黑洞、引力與量子力學等研究的工具。