领弹“天琴”寻觅宇宙弦音

“天琴计划”预期执行期为2016年至2035年，将分四个阶段实施。在0颗星阶段，为满足天琴卫星对入轨精度的要求，“天琴计划”将首先发展月球和深空卫星激光测距技术，帮助实现对天琴卫星毫米级的定轨精度；1颗星阶段时，将利用一颗卫星，在约700公里的轨道高度上，将等效原理的检验提升到10-16水平；在2颗星阶段，将利用2颗卫星，在约400公里的轨道高度上，借助激光测距对全球重力场进行高精度测绘；3颗星阶段时，将探测引力波。

“时空涟漪”“来自宇宙的心跳”，引力波的别称神秘而令人遐想。但从爱因斯坦百年前的伟大预言，到美国激光干涉引力波天文台（简称LIGO）第一次直接“捕获”到引力波，全世界科学家“并肩作战”，矢志不渝地艰难求索。

早在20世纪70年代，中国科学家就开始努力倾听“宇宙呢喃”。中山大学物理研究室以及该校物理系教授陈嘉言，被认为是中国引力波研究的先行者。但陈嘉言因公殉职后，中山大学一度停滞引力波研究。

2015年7月，中山大学再启引力波研究征程，中科院院士、中山大学校长罗俊领衔启动空间引力波探测工程“天琴计划”。中山大学将联合国际上的顶尖科学家、科研技术部门，集成全世界最尖端技术，向太空发射三颗卫星，建设中国自己的引力波天文台，寻觅宇宙“弦音”。

三颗卫星布“琴”觅“知音”

如人类用望远镜观测星空一样，“天琴计划”将向太空发射3颗卫星，并将它们当作望远镜，寻觅引力波。

罗俊介绍说，这三颗全同的卫星在以地球为中心，高度约10万公里的轨道上运行，构成一个等边三角形阵列。由于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”。

“天琴计划”将探测确定的引力波源，超紧凑双白矮星系统RX J0806.3 1527是一个重要探测对象，它一个周期仅有5.4分钟。为获得最大的响应，3颗卫星轨道面将正对RX J0806.3 1527。这样不但能解决测到引力波信号却无法确定引力波源的问题，还有望帮助节约大量卫星发射方面成本。

3颗卫星将如何探测引力波呢？罗俊解答说，3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”，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。

为确保“检验质量”始终保持与周围的保护容器互不接触的状态，三颗卫星上都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。卫星外壳将屏蔽掉来自太阳风等细微的非引力扰动，这样“检验质量”将只在引力的作用下运动。

据罗俊介绍，“天琴计划”预期执行期为2016年至2035年，将分四个阶段实施。在0颗星阶段，为满足天琴卫星对入轨精度的要求，“天琴计划”将首先发展月球和深空卫星激光测距技术，帮助实现对天琴卫星毫米级的定轨精度；1颗星阶段时，将利用一颗卫星，在约700公里的轨道高度上，将等效原理的检验提升到10-16水平；在2颗星阶段，将利用2颗卫星，在约400公里的轨道高度上，借助激光测距对全球重力场进行高精度测绘；3颗星阶段时，将探测引力波。

打开人类观测宇宙的“另一扇窗”

相对于LIGO，“天琴计划”有何不同呢？罗俊认为，两者是推开不同的窗看到不同的风景。

LIGO是通过探测到的引力波信号，反演推断存在两个黑洞的合并发生，没有光学辅助手段等另外的独立方式来确认。“天琴计划”确认引力波源的存在时，就可将光学天文望远镜作为辅助手段。“天琴计划”通过天文观测已确定的双星系统，清楚它们的质量、方位、距离，以及相互之间绕行的轨道频率等。

两者的探测重点也不同。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。

“不同的频段没有先进落后之分，低频与高频的区别，就是大家看到宇宙不同的物理现象和物理进程。”据罗俊介绍，高频引力波则大多是宇宙中更极端的事件，大质量的天体非常剧烈运动时才能产生，通常只有中子星或黑洞等天体相撞才能产生。然而，宇宙中更多的天文事件不是这种极端事件，往往是两个星相隔较远绕行，持续长时间运动。

加州理工学院物理学教授陈雁北是LIGO科学合作组织的研究成员，他期待“天琴计划”实现3个愿景，即成为测量引力波的不同“窗口”，能与LIGO天文台联合观测，成为不同领域科学家发展空间技术的合作平台。

“天琴计划”比“阿波罗计划”要困难

引力波探测是科学皇冠上的一颗明珠，也是当今世界难度最大的尖端科技之一。在罗俊看来，“天琴计划”比“阿波罗计划”更难推进。它首先要求三颗卫星非常精确地进入一个预先选定的轨道，之后对卫星的姿态控制、核心区域温度涨落等方面要求极其精确。

为啃下这块“硬骨头”，罗俊所率团队已有20多年关键技术储备。接棒中大校长之前，罗俊一直在华中科技大学从事物理学研究，其引力实验室也被外国专家称为“世界的引力中心”。罗俊率队在此完成了“天琴计划”部分关键技术的储备。如在两颗星之间用激光干涉的方法精确测量距离的星间激光测距技术。

“天琴计划”作为中方牵头的国际合作项目，已吸引国内外一批顶尖人才联合攻关技术难题。目前，国内十多个大学、研究院所以及俄罗斯莫斯科大学数名教授，已参与了“天琴计划”的工作。此外，欧洲引力波探测项目“LISA计划”课题组的几位核心成员非常愿意开展合作，来自德国、意大利、法国的顶尖教授也希望成为合作者或者顾问。

罗俊认为，“天琴计划”不但能探索超大质量黑洞和星系的形成，甚至提供有关极早期宇宙和量子引力的部分信息等，帮助我国空间探索技术走向世界前列；另外其发展起来的关键技术可在国民经济和国家安全方面发挥重要作用，如可用于精确测量地球重力场、精密测量、了解地球水资源分布与变化等很多领域。

罗俊也坦承，“天琴计划”目前面临资金挑战。“天琴计划”耗时约15至20年，总投资约150亿元。由于意义重大，该计划应该是一个国家长期支持的科研行为，需要得到国家层面的支持。

近日召开的“天琴计划”推进实施研讨会传来了好消息。广东省发改委副主任陈志清在会上表示，广东省发改委将向国家发改委争取，将“天琴计划”纳入国家重大科技基础设施建设项目，努力争取国家给予最大的政策和资金支持。