01月25日至02月21日

焦点

美国LIGO的新发现仅仅是人类探测引力波的开端，中国的“天琴计划”“空间太极计划”纷纷加入征战，欧洲的同行也跃跃欲试

引力波引发了一场盛宴

本刊记者 王小/文

2016年2月16日，中国科学院公布“空间太极计划”，目的是研究与探测空间引力波。按该计划，将在2030年前后发射3颗卫星组成的引力波探测星组，用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测。

这不难让人联想到五天前，一个联合研究团队向全世界宣布，美国的激光干涉引力波观测站（LIGO）首次直接探测到了引力波。

在距离地球十几亿光年之外的一个遥远星系中，两个黑洞发生了碰撞。它们彼此围绕旋转了亿万年，逐渐靠近对方，其剧烈的运动扰动了周围的时空，就像水波一样向外传播开去，这种弯曲时-空中的涟漪就是引力波。最终在不到一秒钟的瞬间，两个黑洞合并成了一个新的黑洞，质量约62个太阳质量一般，在新黑洞平静下来的过程中，逐渐形成一个扁平的球状，最后的几缕颤抖的能量逃离出去。然后时间和空间再次寂静了。

扰动时空的引力波，终于在2015年9月14日9时51分（北京时间当天下午17时51分），到达地球，被美国LIGO直接探测到了。中山大学天文与空间科学研究院院长李淼对《财经》记者说：“LIGO这一划时代的发现开启了物理学的引力波时代，引力波从此由理论上的存在变成事实上的存在。”

这一新发现是如此激动人心。“研究所的理论物理学家多数聚集在餐厅观看引力波探测的新闻发布会。看到宣布发现引力波的一刻大家一起欢呼鼓掌……其实本该在办公室独自观看，因为在公开的场合必须强忍泪水。”美国麻省理工学院物理教授文小刚在朋友圈写道。

这个发现将极大促进其他引力波探测实验的发展。中国就引力波的研究讨论了将近十年的时间。和引力波探测相关的计划有两个，除了中国科学院在2008年就自己悄悄实施的“空间太极计划”外，还有中山大学2014年提出，2015年启动的“天琴计划”。

其实，自1916年爱因斯坦发表论文论证了引力波后，科学界对实证引力波就跃跃欲试。由于技术、资金等的限制，直到20世纪70年代，世界上有几个实验室陆续研制并安装了利用激光干涉探测法进行引力波探测的设备，即激光干涉引力波探测器，如美国LIGO、德国GEO600、日本TAMA和意法合作的VIRGO。

此次发现引力波，就是LIGO科学合作组织（包含GEO合作组织和澳大利亚干涉引力天文协会）以及Virgo合作组织共同完成的，数据则来自美国LIGO探测器。

美国LIGO项目在上世纪90年代初启动。LIGO拥有两套干涉仪，一套在路易斯安纳州的列文斯顿，另一套在华盛顿州的汉福德。列文斯顿的干涉仪有一对封闭在直径112米真空管中的长4000米的臂，汉福德的干涉仪稍小，是一对2000米长的臂。两个探测器距离3000公里（相当于光速传播10毫秒）。基本原理是，比较光在相互垂直的两臂中度越时所用的时间。当引力波在垂直于干涉仪所在的平面入射时，由于它特殊的偏振特性，使干涉仪的一臂伸长而使另一臂缩短，从而使光束在两臂中度越时所用的时间差发生变化，探测到这种变化就证实引力波存在。

“太极计划”、“天琴计划”与美国LIGO基于地面的观测系统不同，中国计划是把观测放在空间。李淼介绍，“天琴计划”将分四个部分，用20年时间执行。首先是“月地测距”，就是月亮到地球的距离；第二步发射一颗卫星，验证广义相对论中的原理，及“天琴”未来研究所需要的技术；第三步，再发射两颗卫星，一前一后绕着地球转，可测量出地球质量的分布、内部的矿产资源等。最后，放三颗卫星到距地球50万公里的高轨上测量引力波。

“太极计划”被列入中科院制定的空间2050年规划。该计划首席科学家、中科院院士胡文瑞介绍，这是一个中欧合作的国际合作计划，有两个方案。方案一是参加欧洲空间局的eLISA双边合作项目，计划于今年秋天举行第三次双方科学家会议，并完成双边合作的可行性报告；方案二为2033年前后发射一组中国的引力波探测卫星组，与2035年左右发射的eLISA卫星组，各自独立进行引力波探测，互相补充和检验测量结果。

可以说，美国LIGO的新发现仅仅是人类探测引力波的开端，因为其仅限于可能辐射引力波很多种源中的一种，即合并的双黑洞系统，且处于银河系外。李淼说：“引力波存在且可以被探测到，人类观测宇宙从此有了两个窗口：电磁波和引力波。引力波天文学将成为物理学与天文学一个新分支，人类将更加深刻地认识宇宙。天文学在21世纪将进入引力波天文学时代。”