【第118期】探測引力波:中國「天琴」與美國LIGO有何不同?

文編/謝新

2016年2月11日,美國國家科學基金會(NSF)宣布人類首次直接探測到了引力波,引發全世界關注。兩天後,大陸媒體《北京青年報》披露了中國大陸也在2015年7月啟動了引力波探測工程「天琴計劃」。根據報導該項計畫由廣州中山大學負責規劃與啟動,從事「天琴計劃」研究的中山大學天文與空間科學研究院院長李渺教授也接受了專訪。

李渺教授是當今中國大陸最活躍的科普作家之一,也是廣州中山大學天文與空間科學研究院院長。根據李渺的說法,「天琴計劃」是在2014年開始構想,2015年啟動,一開始中山大學想要做引力波研究的想法是由該校校長羅俊提出,事實上中國大陸關於引力波的研究討論也有10年的時間,中山大學所推動的「天琴計畫」也立足在此之上。

李渺表示,「天琴計劃」是一項很大的科研工程,分為四個部分來進行。簡單地說,首先是「月地測距」,就是月亮到地球的距離。這在中國大陸是從來沒有過的首次測量。通過測距測得月亮以及地球的動態變化,同時檢驗牛頓萬有引力常數的變化。「月地測距」研究過後會發射一顆衛星做「天琴」前期的研究,來驗證愛因斯坦廣義相對論中的原理,以及「天琴」未來研究所需要的技術。而後發射兩顆衛星,一前一後繞著地球轉,通過兩顆衛星之間的雷射光測距來測兩顆衛星之間距離的變化,由此可測量出地球質量的分布、內部的礦產資源等等。最後,放三顆衛星到距地球50萬公里的高軌上,主要用來測量引力波。

李渺也說,這四個部分目前大陸正走到第一步的啟動、立項階段,並計劃在廣州中山大學珠海校區建設「天琴」的研究中心,初期計劃中心占地面積約三萬平方公尺,同時也會在鳳凰山建立約一萬平方公尺的實驗室,以及約五千平方公尺的天文觀測區。

據了解,「天琴計劃」是以廣州中山大學為主體的研究項目,但不排除同已參與美國引力波研究的北京清華大學科研組合作,並且也將尋求與俄羅斯合作,同時也會與歐美等國家作交流。由於,這個科研項目需要大量的優秀人才,「天琴計畫」的課題組曾在網路上公開徵聘研究人員,但是根據李渺的說法,召聘結果並不能滿足需求,研究人才的到位問題尚待突破。

在「天琴計劃」的研究經費上,大陸的網路盛傳約需150億(人民幣,下同),不過李渺否認,他說,目前並未給出「天琴計劃」的具體預估研究費用是多少,很可能是因為最早時候提出過100億到200億之間,所以被外界傳為150億。由於「天琴計劃」是20年為期的計劃,資金不可能一步到位,因為資金過於龐大,來源也是多方面,所以除了政府出資也不排除地方、民間企業的贊助。

談到「天琴計劃」與美國的研究有何區別時,李渺說,美國研究的是地面探索,大陸研究的是太空探索,兩者是完全不同的研究,探索的方向也不同。在美國國家科學基金和歐洲引力天文台宣布首次觀測到引力波的消息後,一直「默默無聞」的中國大陸本土引力波探測工程「天琴計劃」才被大陸媒體報道出來,一時間有關「天琴計劃」是東施效顰,還是具有開創之舉引起的討論非常熱烈。

LIGO科學聯盟核心成員、加州理工學院教授陳雁北在接受大陸媒體採訪時表示,大陸科學界尚沒有引力波的實驗項目,希望此次LIGO探測到引力波的事實,能夠對「天琴計劃」產生推動作用。陳雁北也表示,大陸雖然還沒有引力波的實驗項目,但已經有了一些研究團隊:包括北師大的朱宗宏、張帆在研究引力波天文學;中科院有學者曾想推動中國空間探測引力波的項目;中科院一些科學家還參與了歐洲合作的空間引力波探測項目;當然還有清華大學團隊直接參與了LIGO的探測工作。

對於「天琴計劃」與LIGO探測的關係,陳雁北表示,LIGO是在地面探測引力波,而「天琴計劃」是想在空間中進行測量。「空間中,我們可以測量頻率更低的引力波。一方面可以從側面驗證LIGO引力波源、引力波傳播的性質,另一方面,也可能探測到大質量甚至超大質量的黑洞。」陳雁北教授認為,「天琴計劃」現在處於起始階段,還在論證天文學上的意義、儀器上的可行性等。大陸科學家們還要討論如何把它變得更完善,需要一個理論物理學家、實驗物理學家、天文學家們討論的過程。雖然大家對中國空間引力波探測的研究還沒有太多共識,但LIGO探測到引力波的事實可以成為一個契機,讓大家考慮一下,下一步中國大陸應該怎樣最好地發揮自身特點,在引力波的研究中找到一個有自己特色的發展方向。

清華大學LSC研究團隊負責人曹軍威研究員也認為,中國大陸在引力波方面的研究基礎還相對薄弱,目前尚沒有自主建設的引力波天文台。隨著國際上引力波直接觀測的成功和引力波天文學時代的開啟,中國大陸亟需自主建設引力波天文台,一是要腳踏實地從培養人才入手;二是要有開放合作的心態,充分借鑒國際上已有的研究和實驗成果;三是要大力加強科學目標引領下的跨領域合作,才有可能帶動一系列的技術創新和科學發現,進一步推動引力波科學研究的發展。