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珠海政府拟投3亿启动天琴计划基础建设

2016-02-19 10:13
来源: 财讯中国

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南都讯 2016年2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,举世瞩目。

实际上,中国的引力波探测工程“天琴计划”已于去年开始启动。有人说,引力波如同用非常大的能量在宇宙中敲响了一面蒙皮紧绷的鼓。天琴计划这个名字取得太恰当了。

然而,该项目仍处于立项阶段,“天琴”计划到底如何运作,如何实现目标,此前中山大学极少披露详细内容。

15日,中山大学天文与空间科学研究院院长李淼接受南都记者采访,首度向外界披露了“天琴计划”的核心要点,揭开了天琴计划神秘的面纱,并于15日晚在自己个人公号上推送了这部分内容。

据介绍,天琴计划预期执行期为2016-2035年,分四个阶段实施。最近几年,天琴计划的发展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。

天琴计划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5千平方米教学、科研、科普多功能观测站。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基础建设,主要负责山洞实验室的挖掘、多功能观测站的站址土地平整和上山道路的修建。

物理学在过去的世纪里得到了高速发展,人们因此认识到在自然界中存在着四种基本的相互作用,它们包括与日常生活紧密相关的万有引力作用和电磁相互作用、以及在微观粒子间变得重要的弱相互作用和强相互作用。

Russell Hulse 和Joseph Hooton Taylor(右)。网络图片

1974年,Russell Hulse 和Joseph Hooton Taylor, Jr. 首次在双星系统中发现一颗变星,他们借此观察到这个双星系统的演化与广义相对论预言的通过引力波辐射造成轨道周期变化的结果一致,从而间接证明了引力波的存在。两位科学家因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

Joseph Weber和他设计的铝棒探测器。网络图片

Joseph Weber是第一个试图通过实验直接探测引力波的人。他在上世纪60年代建造了长2米、直径1米的铝棒探测器,试图用于记录由引力波引起的共振信号。Weber的努力促使了引力波探测器在世界各地的发展。

上世纪80年代的中大引力物理研究室

中山大学引力物理研究室也于上世纪七十年代建造了常温共振型引力波天线,其测量灵敏度可达到10-17,为当时国际同类引力波天线的最高水平之一。

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。2016年2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,举世瞩目。

LIGO位于美国路易斯安那州利文斯顿市的一处引力波探测器实验室

为了利用引力波研究自然界中更普遍的稳定双星系统、更有趣的超大质量黑洞合并、以及超大质量黑洞俘获普通天体等过程,并且把观测范围延伸到更早期宇宙,人们需要建造工作在更低频段上的空间引力波探测器。这方面的代表是美国宇航局(NASA)与欧空局(ESA)在2001~2011年间合作支持的LISA项目,原计划发射三颗卫星形成臂长500万公里的等边三角形,在地球后方约0.5亿公里的地方跟随地球绕太阳运行。

LISA pathfinder已经于2015年底发射升空

由于经费和计划变更等原因,NASA于2011年退出了合作。欧洲科学家于是提出了臂长100万公里,将LISA中三颗全同卫星改为一颗母星带两颗伺服子星的修改版LISA(即eLISA)计划。其技术验证星LISA pathfinder已经于2015年底发射升空,将在随后几个月里对空间引力波探测所需要的高精度激光干涉测量和高精度加速度噪声抑制等几项关键技术进行检验。LISA pathfinder成功后将有助于eLISA最终从欧空局获得资助。目前最有可能的是被选中成为欧空局宇宙视野(Cosmic Vision)计划的第三次大科学任务,于2034年发射升空。NASA重返eLISA的工作也已经于近期启动。

在目前讨论的初步概念中,天琴将像LISA一样,采用三颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列,每颗卫星内部都包含一个或两个极其小心悬浮起来的检验质量。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。这样检验质量将只在引力的作用下运动,而来自太阳风或太阳光压等细微的非引力扰动将被卫星外壳屏蔽掉。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。

与LISA或eLISA不同的是,天琴的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。这样的选择能够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成本。天琴的实验技术方案会在未来的研究中进一步优化,以实现其科学价值最大化。

 

天琴空间引力波探测实验示意图

  天琴实验本身将由SC1,SC2,SC3三颗卫星组成,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。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。我们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。


  天琴计划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5千平方米教学、科研、科普多功能观测站。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基础建设,主要负责山洞实验室的挖掘、多功能观测站的站址土地平整和上山道路的修建。综合研究大楼、山洞超静实验室的洁净实验室工程、多功能观测站的基建工程以及各种仪器设备还需要另外寻求资金渠道支持。

[责任编辑:cxnews] 标签:零售价格 批发价 柴油

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