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引力波探测的中国路径 基础研究是需要积累的

2017-11来源:

  引力波探测的中国路径

  在国际上引力波探测的消息不断传出之后,已着眼于引力波探测多年的中国科研团队也渐渐“显山露水”。虽然过去失去了很多机会,但反过来想,中国必须现在就开始长期部署。

  基础研究是需要积累的,现在不部署,将来永远跟在别人后面

  中国新闻周刊记者/杨智杰

  今年物理学界最热的一条新闻是紧跟着诺贝尔物理学奖而来的“应景之作”,而且它不属于某一个国家,而是一次世界性的狂欢:美国国家航空航天局(NASA)、欧洲南方天文台、中国南京紫金山天文台、英国科技设备委员会等全球数十家科研机构在经过一番造势预告之后,于北京时间10月16日晚10点发布消息:今年8月17日,LIGO和Virgo共同探测到引力波事件GW 170817,这也是人类第一次直接探测到由两颗中子星并合产生的引力波。随后几秒中,美国宇航局Fermi伽马射线卫星和欧INTEGRAL卫星都探测到了一个极弱的短时标伽马暴GRB 170817A。

10月18日讯,北京时间10月16日晚10点,多国科学家宣布探测到中子星引力波事件,引发广泛关注。此次引力波探测的一大特点是不仅能“听到”,还能“看到”。欧洲南方天文台(ESO)16日就在网站发布了用天文望远镜“看到”的引力波之光。ESO的望远镜首次探测到引力波对应的光学信号,并在网站上公布了捕捉到的引力波之光画面。 北京时间10月16日晚10点,多国科学家宣布探测到中子星引力波事件,引发广泛关注。

  这并非人类第一次探测到引力波:2016年2月11日,LIGO团队正式宣布首次观测到宇宙中的引力波现象,证实爱因斯坦100余年前广义相对论的预言。今年这次引力波再度“光临”的特殊之处在于,它是双中子星而非双黑洞并合而产生的,因而科学家们既捕捉到了引力波,又测到了碰撞产生的光线。不仅如此,科学家们还首度获得直接证据,证明中子星并合过程会产生铂、金和铀等重元素。

  就在此次引力波探测的重磅消息发布前不久,三位LIGO探测器和引力波观测领域的美国科学家刚刚荣获了2017年诺贝尔物理学奖。随着科学奥秘的逐渐揭开,公众更多地知晓了引力波。同时,已着眼于引力波探测多年的中国科研团队也渐渐“显山露水”。

  “慧眼”暗送引力波

  中国第一颗空间X射线天文卫星“慧眼”HXMT望远镜也参与到这次全球联合探测引力波的过程中——虽然这不是它设计时的本意。据介绍,“慧眼”在0.2~5百万电子伏特(MeV)能区的探测接收面积最大、时间分辨率最好,因此对引力波闪的MeV能区的伽马射线辐射的探测能力最强。

  “慧眼”的首席科学家张双南回忆,8月17日当晚,他的团队对整个事件进行观测,开展了几乎实时的数据分析,并迅速发布了观测结果。

  按照中科院高能所研究员熊少林的解释,本次双中子星并合产生的引力波闪在MeV区的辐射微弱,包括“慧眼”在内,全世界的天文望远镜并没有在这个能区探测到引力波闪。不过“慧眼”的成果是,对引力波闪在该能区的辐射性质给出了限制,为全面理解双中子星并合引力波事件和引力波闪的物理机制做出了贡献,相关探测结果发表在报告此次历史性发现的研究论文中。

  在此次引力波事件发生24小时后,中国南极巡天望远镜也参与其中。在中国南极昆仑站运行的第二台望远镜AST3-2,对该引力波事件展开为期10天的观测,获得大量重要数据,并探测到此次引力波事件的光学信号。这些数据和全球其他天文台的观测结果一起证实,双中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素(金、银)的起源。

  事实上,在过去近十年间中国一直在准备开展引力波探测工作。中科院院士、理论物理学家吴岳良向《中国新闻周刊》介绍,目前学界探测引力波有4种方式,根据引力波频率不同,分别针对不同天体物理与宇宙学起源的引力波信号,中国目前实施的是其中的3种。

  虽然都叫引力波,但按照频率区分,10赫兹以上甚至几千赫兹的高频段引力波的主要信号源是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统并合过程。对它的探测手段是使用地面数公里的激光干涉装置,它的代表性项目就是最近几次探测引力波的主角LIGO,目前国内尚没有此类探测方式。

  频率在10-5~1 Hz之间的引力波对应信号来源丰富一些,包括大质量黑洞、银河系内的白矮双星系统等,这类引力波信号探测的手段是使用空间卫星阵列。国外有名的是欧洲空间局批准的大型空间实验卫星项目LISA。国内目前有两个项目正在开展这类观测,分别是中科院力学所和中国科学院大学领导的“太极计划”,以及中山大学领导的“天琴计划”。

  超大质量黑洞并合时发出的引力波对应频率在10-6~10-8赫兹。但是与星系中心数百万甚至数亿太阳质量的巨大黑子发出浩瀚的引力波信号相比,人类能建造的探测器太小了,哪怕把整个太阳系当做探测器都不够。于是人们想到利用校准后的毫秒脉冲星进行探测。其原理是,脉冲星自转周期极其稳定,可以作为时间标尺,精确校准的毫秒脉冲星在宇宙中排成校准源的一个庞大阵列,天文学家利用大型地面射电望远镜作为探测器,监视宇宙中可能经过的低频时空涟漪。中国贵州群山中500米口径的球面射电望远镜FAST就有此功能。

  频率最低的是原初引力波,它是爱因斯坦于1916年发表的广义相对论中提出的,是宇宙诞生之初产生的时空波动,这种信号能告诉我们极为重要的关于宇宙诞生之初的物理学过程,其探测方法需要通过对宇宙微波背景辐射(CMB)进行观测。中科院高能物理所领导的“阿里计划”是这种方法的主要代表。

画面中的引力波之光,中心如巨型钻石一般璀璨夺目,钻石周围形成泛着紫色和蓝色的光圈,一束光线如利剑一般从钻石中心穿过,带给人极为震撼的视觉效果。 画面中的引力波之光,中心如巨型钻石一般璀璨夺目,钻石周围形成泛着紫色和蓝色的光圈,一束光线如利剑一般从钻石中心穿过,带给人极为震撼的视觉效果。

  以上四种探测方法与目标各不相同,互不干涉,就像收听收音机,不同的频段只能收听固定的节目。随着2016年2月11日引力波首次被探测到,中国探测引力波的“阿里”“天琴”“太极”等项目开始得到极大推动。

  从“太极”到“天琴”

  2016年LIGO团队首次宣布探测到引力波之后的第5天,中科院正式提出“太极计划”,由中科院院士胡文瑞、吴岳良作为双首席科学家共同领导。事实上,“太极”的想法始于2008年,吴岳良记得,当时中科院在部署前瞻性基础研究,胡文瑞就申报了引力波项目,后来LIGO取得的成果使他们加快了步伐。

  再往前追溯,中国的引力波研究最早始于1970年代。据吴岳良介绍,20世纪60年代,美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯宣布探测到引力波,引发了全球的兴趣,当时中科院高能物理所、中山大学也做了相关研究。但很快因韦伯的实验无法重复,这股研究热潮也就渐渐退去,引力波需要的技术和方法当时在国内都不具备,相关研究也就逐渐停止了。

  随后几十年,中国的引力波研究出现断层。除了技术上的局限之外,吴岳良认为更重要的是,引力波太过微弱,大家都对是否能观测到报以消极态度。此类基础研究需要投入高额经费,却前景不明,因而引力波研究看起来“性价比”不高。

  虽然中科院在2008年就成立了引力波专家组,但在当时引力波研究仍属于“自由探索的小项目”,以理论探索、方案和概念设计为主,所投入的经费不多。

  上世纪90年代,NASA和欧洲空间局共同推出空间探测引力波的LISA计划。2011年,NASA因预算问题退出项目,欧空局希望能够找到其他合作方,于是向中科院伸出了橄榄枝。中方表示愿意合作,而欧空局提出加入LISA的条件是,以仪器或实物形式出资LISA任务总额的20%。

  虽说是中欧合作,但“太极计划”目前做了两手准备。据介绍,方案一是参加欧洲空间局的LISA双边合作计划,方案二是发射三颗中国的引力波探测卫星组,与2035年左右发射的LISA卫星组同时遨游太空,独立进行引力波探测,两组卫星互相补充和检验测量结果。

  吴岳良坦言,目前“太极计划”已经能够负担这20%的经费要求,这表明该计划的科研实力在投入方面已经有了基础。实际上,“太极”的最大竞争对手也是LISA,两者是既竞争又合作的关系。

  2016年,“太极”团队启动5年预演阶段,着力于关键技术突破、科学目标论证和方案设计。在未来10年,团队计划做关键技术测试,发射试验星。再往后的10年,目标是争取实现在2033年正式发射卫星。

  发射三颗全同的卫星在太空组成等边三角形阵列,这不仅是LISA和“太极”的计划,国内另一个空间探测引力波的项目、由中山大学领导的“天琴计划”也同样如此。

  “天琴计划” 比“太极计划”更早提出立项申请,也是由中国科学家主导的国际合作项目。该工程分成四部分,最终要放三颗卫星到距地球50万公里的高轨上,主要用来测量引力波。整个项目计划用时15~20年,总投资约150亿元人民币,“天琴”部分基础设施目前已经在建。

  “天琴”和“太极”都是空间探测引力波项目,同样需要高额经费。吴岳良提到,虽然两者在运行轨道、空间目标等方面有所不同,但国家是否有经费同时支持两个空间探测引力波的项目,现在还不确定,需要进一步论证。

  在国际上引力波探测的消息不断传出之后,吴岳良的团队在思考:这样的项目中国能不能做?虽然过去失去了很多机会,但反过来想,我们必须现在就开始长期部署。基础研究是需要积累的,现在不部署,将来永远跟在别人后面。“美国坚持了40多年,这个过程允许失败,因为基础研究本身就是探索未知,未知就是谁也不知道。”

  “阿里”的雄心

  在中国,另一个引力波探测项目是由中科院高能物理研究所研究员张新民在2014年提出并领导的“阿里计划”,其目标是在中国西藏阿里地区建设微波天文台,探测原初引力波。

  当今的宇宙起源模型认为,宇宙大爆炸时会发生宇宙时空剧烈的“暴胀”过程,时空的剧烈扰动会产生一个引力波的背景信号,也就是原初引力波信号,这个信号一旦被探测到,就可以为人类解开宇宙诞生的奥妙。

  “阿里计划”还有一个优势,就是和国内其他两个探测项目相比,它的周期短,投入少。空间探测计划基本都需要15~20年的周期,而张新民团队的计划是“三年建设,五年出成果”,即在2019年底前建设观测仓、盖好装望远镜的基座、安装望远镜并进行调试,2020年开始观测,2022年出成果。

  同时,原初引力波目前仍未被人类发现,“这给了我们一个很好的机遇,我们可能有机会最先探测到原初引力波。” 张新民说。

  在得知LIGO团队探测出引力波的时候,除了祝贺国外同行外,张新民也在思考,我们国家在这些大的科学项目上该怎么做?现在还留给我们多少原创的东西?

  “阿里计划”从2014年提出后,逐渐吸引各方的参与,变成由中科院高能物理研究所牵头、多家单位参与的合作项目。其合作单位包括国家天文台、天光所、紫金山天文台、上海微系统所、西藏大学、北大、清华、美国斯坦福大学等。目前,台湾大学正在申请参与该计划。

  2016年2月LIGO首次宣布探测到引力波以后,改变也随之而来。“阿里计划”得到了国家的特殊支持,分别获得中科院先导计划B、科技部、国家自然科学基金委的经费。科技部还专门成立引力波研究专家委员会,引力波专项即将启动。

  今年8月,国务院副总理刘延东在中国科学院院长白春礼和西藏自治区党委书记吴英杰陪同下,实地考察了海拔5250米的原初引力波探测实验平台建设现场。

10月16日,全球多国科学家同步举行新闻发布会,宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。 10月16日,全球多国科学家同步举行新闻发布会,宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。

  作为该项目首席科学家的张新民赶上了机遇,在得到政府政策和资金上的支持的同时,他也备感压力。他说,“当下最重要的,就是加快进程。”

  但是科学家们也会遇到难题,比如基金不能自主使用。“国家对科研基金的使用有很多限制。例如,基金到了,只能买望远镜或者研究望远镜,但是我做的这个项目,最开始必须做土建,建房子、修路、拉电、通网络等,它不是一个已经建好的地方,一定要从基础设施开始。目前我们在做科技部的项目,这部分经费就不支持基础设施建设。”张新民说。

  从去年开始,引力波探测突然备受关注,随之而来的,人才需求成为一大问题。吴岳良领导的“太极计划”现在遇到的一个困难就是人才储备不够,因为过去引力波探测领域中国存在人才的断层,专门做空间引力波探测的人才不够。他们只能利用中科院有众多研究所的优势,协调和召集各方面的技术人才。

  张新民认为,当下的科研评价体系也需要改进。科研人员需要在核心期刊上发表论文,其研究成果和“百人计划”“千人计划”等头衔息息相关,这些都影响到研究人员的职称和物质生活。但是像“阿里计划”这样的项目在工程期间出不了成果,导致团队很难招到合适的年轻人。

  另外,项目在招聘时也会对人才提出各种各样的要求。从国外回来的相对而言有较大优势, 而国内毕业的博士就会遇到很大困难。 “对于新东西的研究,人才肯定稀缺,就不能拿一个通常的标准来衡量,不能单一地数论文的数目, 以及是否有留学经历。需要看的是真才实学,是不是所需要的。”张新民认为,对于探测引力波这样有前瞻性的基础研究项目,要做出创新,就需要团队领导者有破格提拔人才的权力。“必须尊重科学规律,让项目负责人能自主使用经费、聘用人员。”

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