引力波探測的中國路徑

楊智杰

在國際上引力波探測的消息不斷傳出之后，已著眼于引力波

探測多年的中國科研團(tuán)隊也漸漸“顯山露水”。雖然過去失去了

很多機會，但反過來想，中國必須現(xiàn)在就開始長期部署。

基礎(chǔ)研究是需要積累的，現(xiàn)在不部署，將來永遠(yuǎn)跟在別人后面

今年物理學(xué)界最熱的一條新聞是緊跟著諾貝爾物理學(xué)獎而來的“應(yīng)景之作”，而且它不屬于某一個國家，而是一次世界性的狂歡：美國國家航空航天局（NASA）、歐洲南方天文臺、中國南京紫金山天文臺、英國科技設(shè)備委員會等全球數(shù)十家科研機構(gòu)在經(jīng)過一番造勢預(yù)告之后，于北京時間10月16日晚10點發(fā)布消息：今年8月17日，LIGO和Virgo共同探測到引力波事件GW 170817，這也是人類第一次直接探測到由兩顆中子星并合產(chǎn)生的引力波。隨后幾秒中，美國宇航局Fermi伽馬射線衛(wèi)星和歐INTEGRAL衛(wèi)星都探測到了一個極弱的短時標(biāo)伽馬暴GRB 170817A。

這并非人類第一次探測到引力波：2016年2月11日，LIGO團(tuán)隊正式宣布首次觀測到宇宙中的引力波現(xiàn)象，證實愛因斯坦100余年前廣義相對論的預(yù)言。今年這次引力波再度“光臨”的特殊之處在于，它是雙中子星而非雙黑洞并合而產(chǎn)生的，因而科學(xué)家們既捕捉到了引力波，又測到了碰撞產(chǎn)生的光線。不僅如此，科學(xué)家們還首度獲得直接證據(jù)，證明中子星并合過程會產(chǎn)生鉑、金和鈾等重元素。

就在此次引力波探測的重磅消息發(fā)布前不久，三位LIGO探測器和引力波觀測領(lǐng)域的美國科學(xué)家剛剛榮獲了2017年諾貝爾物理學(xué)獎。隨著科學(xué)奧秘的逐漸揭開，公眾更多地知曉了引力波。同時，已著眼于引力波探測多年的中國科研團(tuán)隊也漸漸“顯山露水”。

“慧眼”暗送引力波

中國第一顆空間X射線天文衛(wèi)星“慧眼”HXMT望遠(yuǎn)鏡也參與到這次全球聯(lián)合探測引力波的過程中——雖然這不是它設(shè)計時的本意。據(jù)介紹，“慧眼”在0.2～5百萬電子伏特（MeV）能區(qū)的探測接收面積最大、時間分辨率最好，因此對引力波閃的MeV能區(qū)的伽馬射線輻射的探測能力最強。

“慧眼”的首席科學(xué)家張雙南回憶，8月17日當(dāng)晚，他的團(tuán)隊對整個事件進(jìn)行觀測，開展了幾乎實時的數(shù)據(jù)分析，并迅速發(fā)布了觀測結(jié)果。

按照中科院高能所研究員熊少林的解釋，本次雙中子星并合產(chǎn)生的引力波閃在MeV區(qū)的輻射微弱，包括“慧眼”在內(nèi)，全世界的天文望遠(yuǎn)鏡并沒有在這個能區(qū)探測到引力波閃。不過“慧眼”的成果是，對引力波閃在該能區(qū)的輻射性質(zhì)給出了限制，為全面理解雙中子星并合引力波事件和引力波閃的物理機制做出了貢獻(xiàn)，相關(guān)探測結(jié)果發(fā)表在報告此次歷史性發(fā)現(xiàn)的研究論文中。

在此次引力波事件發(fā)生24小時后，中國南極巡天望遠(yuǎn)鏡也參與其中。在中國南極昆侖站運行的第二臺望遠(yuǎn)鏡AST3-2，對該引力波事件展開為期10天的觀測，獲得大量重要數(shù)據(jù)，并探測到此次引力波事件的光學(xué)信號。這些數(shù)據(jù)和全球其他天文臺的觀測結(jié)果一起證實，雙中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素（金、銀）的起源。

事實上，在過去近十年間中國一直在準(zhǔn)備開展引力波探測工作。中科院院士、理論物理學(xué)家吳岳良向《中國新聞周刊》介紹，目前學(xué)界探測引力波有4種方式，根據(jù)引力波頻率不同，分別針對不同天體物理與宇宙學(xué)起源的引力波信號，中國目前實施的是其中的3種。

雖然都叫引力波，但按照頻率區(qū)分，10赫茲以上甚至幾千赫茲的高頻段引力波的主要信號源是中子星、恒星級黑洞等致密天體組成的雙星系統(tǒng)并合過程。對它的探測手段是使用地面數(shù)公里的激光干涉裝置，它的代表性項目就是最近幾次探測引力波的主角LIGO，目前國內(nèi)尚沒有此類探測方式。

頻率在10-5～1 Hz之間的引力波對應(yīng)信號來源豐富一些，包括大質(zhì)量黑洞、銀河系內(nèi)的白矮雙星系統(tǒng)等，這類引力波信號探測的手段是使用空間衛(wèi)星陣列。國外有名的是歐洲空間局批準(zhǔn)的大型空間實驗衛(wèi)星項目LISA。國內(nèi)目前有兩個項目正在開展這類觀測，分別是中科院力學(xué)所和中國科學(xué)院大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的“太極計劃”，以及中山大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的“天琴計劃”。

超大質(zhì)量黑洞并合時發(fā)出的引力波對應(yīng)頻率在10-6～10-8赫茲。但是與星系中心數(shù)百萬甚至數(shù)億太陽質(zhì)量的巨大黑子發(fā)出浩瀚的引力波信號相比，人類能建造的探測器太小了，哪怕把整個太陽系當(dāng)做探測器都不夠。于是人們想到利用校準(zhǔn)后的毫秒脈沖星進(jìn)行探測。其原理是，脈沖星自轉(zhuǎn)周期極其穩(wěn)定，可以作為時間標(biāo)尺，精確校準(zhǔn)的毫秒脈沖星在宇宙中排成校準(zhǔn)源的一個龐大陣列，天文學(xué)家利用大型地面射電望遠(yuǎn)鏡作為探測器，監(jiān)視宇宙中可能經(jīng)過的低頻時空漣漪。中國貴州群山中500米口徑的球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST就有此功能。

頻率最低的是原初引力波，它是愛因斯坦于1916年發(fā)表的廣義相對論中提出的，是宇宙誕生之初產(chǎn)生的時空波動，這種信號能告訴我們極為重要的關(guān)于宇宙誕生之初的物理學(xué)過程，其探測方法需要通過對宇宙微波背景輻射（CMB）進(jìn)行觀測。中科院高能物理所領(lǐng)導(dǎo)的“阿里計劃”是這種方法的主要代表。

以上四種探測方法與目標(biāo)各不相同，互不干涉，就像收聽收音機，不同的頻段只能收聽固定的節(jié)目。隨著2016年2月11日引力波首次被探測到，中國探測引力波的“阿里”“天琴”“太極”等項目開始得到極大推動。

從“太極”到“天琴”

2016年LIGO團(tuán)隊首次宣布探測到引力波之后的第5天，中科院正式提出“太極計劃”，由中科院院士胡文瑞、吳岳良作為雙首席科學(xué)家共同領(lǐng)導(dǎo)。事實上，“太極”的想法始于2008年，吳岳良記得，當(dāng)時中科院在部署前瞻性基礎(chǔ)研究，胡文瑞就申報了引力波項目，后來LIGO取得的成果使他們加快了步伐。

再往前追溯，中國的引力波研究最早始于1970年代。據(jù)吳岳良介紹，20世紀(jì)60年代，美國馬里蘭大學(xué)的約瑟夫·韋伯宣布探測到引力波，引發(fā)了全球的興趣，當(dāng)時中科院高能物理所、中山大學(xué)也做了相關(guān)研究。但很快因韋伯的實驗無法重復(fù)，這股研究熱潮也就漸漸退去，引力波需要的技術(shù)和方法當(dāng)時在國內(nèi)都不具備，相關(guān)研究也就逐漸停止了。

隨后幾十年，中國的引力波研究出現(xiàn)斷層。除了技術(shù)上的局限之外，吳岳良認(rèn)為更重要的是，引力波太過微弱，大家都對是否能觀測到報以消極態(tài)度。此類基礎(chǔ)研究需要投入高額經(jīng)費，卻前景不明，因而引力波研究看起來“性價比”不高。

雖然中科院在2008年就成立了引力波專家組，但在當(dāng)時引力波研究仍屬于“自由探索的小項目”，以理論探索、方案和概念設(shè)計為主，所投入的經(jīng)費不多。

上世紀(jì)90年代，NASA和歐洲空間局共同推出空間探測引力波的LISA計劃。2011年，NASA因預(yù)算問題退出項目，歐空局希望能夠找到其他合作方，于是向中科院伸出了橄欖枝。中方表示愿意合作，而歐空局提出加入LISA的條件是，以儀器或?qū)嵨镄问匠鲑YLISA任務(wù)總額的20%。

雖說是中歐合作，但“太極計劃”目前做了兩手準(zhǔn)備。據(jù)介紹，方案一是參加歐洲空間局的LISA雙邊合作計劃，方案二是發(fā)射三顆中國的引力波探測衛(wèi)星組，與2035年左右發(fā)射的LISA衛(wèi)星組同時遨游太空，獨立進(jìn)行引力波探測，兩組衛(wèi)星互相補充和檢驗測量結(jié)果。

吳岳良坦言，目前“太極計劃”已經(jīng)能夠負(fù)擔(dān)這20%的經(jīng)費要求，這表明該計劃的科研實力在投入方面已經(jīng)有了基礎(chǔ)。實際上，“太極”的最大競爭對手也是LISA，兩者是既競爭又合作的關(guān)系。

2016年，“太極”團(tuán)隊啟動5年預(yù)演階段，著力于關(guān)鍵技術(shù)突破、科學(xué)目標(biāo)論證和方案設(shè)計。在未來10年，團(tuán)隊計劃做關(guān)鍵技術(shù)測試，發(fā)射試驗星。再往后的10年，目標(biāo)是爭取實現(xiàn)在2033年正式發(fā)射衛(wèi)星。

發(fā)射三顆全同的衛(wèi)星在太空組成等邊三角形陣列，這不僅是LISA和“太極”的計劃，國內(nèi)另一個空間探測引力波的項目、由中山大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的“天琴計劃”也同樣如此。

“天琴計劃” 比“太極計劃”更早提出立項申請，也是由中國科學(xué)家主導(dǎo)的國際合作項目。該工程分成四部分，最終要放三顆衛(wèi)星到距地球50萬公里的高軌上，主要用來測量引力波。整個項目計劃用時15～20年，總投資約150億元人民幣，“天琴”部分基礎(chǔ)設(shè)施目前已經(jīng)在建。

“天琴”和“太極”都是空間探測引力波項目，同樣需要高額經(jīng)費。吳岳良提到，雖然兩者在運行軌道、空間目標(biāo)等方面有所不同，但國家是否有經(jīng)費同時支持兩個空間探測引力波的項目，現(xiàn)在還不確定，需要進(jìn)一步論證。

在國際上引力波探測的消息不斷傳出之后，吳岳良的團(tuán)隊在思考：這樣的項目中國能不能做？雖然過去失去了很多機會，但反過來想，我們必須現(xiàn)在就開始長期部署?；A(chǔ)研究是需要積累的，現(xiàn)在不部署，將來永遠(yuǎn)跟在別人后面。“美國堅持了40多年，這個過程允許失敗，因為基礎(chǔ)研究本身就是探索未知，未知就是誰也不知道?！?h3>“阿里”的雄心

在中國，另一個引力波探測項目是由中科院高能物理研究所研究員張新民在2014年提出并領(lǐng)導(dǎo)的“阿里計劃”，其目標(biāo)是在中國西藏阿里地區(qū)建設(shè)微波天文臺，探測原初引力波。

當(dāng)今的宇宙起源模型認(rèn)為，宇宙大爆炸時會發(fā)生宇宙時空劇烈的“暴脹”過程，時空的劇烈擾動會產(chǎn)生一個引力波的背景信號，也就是原初引力波信號，這個信號一旦被探測到，就可以為人類解開宇宙誕生的奧妙。

“阿里計劃”還有一個優(yōu)勢，就是和國內(nèi)其他兩個探測項目相比，它的周期短，投入少?？臻g探測計劃基本都需要15～20年的周期，而張新民團(tuán)隊的計劃是“三年建設(shè)，五年出成果”，即在2019年底前建設(shè)觀測倉、蓋好裝望遠(yuǎn)鏡的基座、安裝望遠(yuǎn)鏡并進(jìn)行調(diào)試，2020年開始觀測，2022年出成果。

同時，原初引力波目前仍未被人類發(fā)現(xiàn)，“這給了我們一個很好的機遇，我們可能有機會最先探測到原初引力波。” 張新民說。

在得知LIGO團(tuán)隊探測出引力波的時候，除了祝賀國外同行外，張新民也在思考，我們國家在這些大的科學(xué)項目上該怎么做？現(xiàn)在還留給我們多少原創(chuàng)的東西？

“阿里計劃”從2014年提出后，逐漸吸引各方的參與，變成由中科院高能物理研究所牽頭、多家單位參與的合作項目。其合作單位包括國家天文臺、天光所、紫金山天文臺、上海微系統(tǒng)所、西藏大學(xué)、北大、清華、美國斯坦福大學(xué)等。目前，臺灣大學(xué)正在申請參與該計劃。

2016年2月LIGO首次宣布探測到引力波以后，改變也隨之而來?！鞍⒗镉媱潯钡玫搅藝业奶厥庵С?，分別獲得中科院先導(dǎo)計劃B、科技部、國家自然科學(xué)基金委的經(jīng)費。科技部還專門成立引力波研究專家委員會，引力波專項即將啟動。

今年8月，國務(wù)院副總理劉延?xùn)|在中國科學(xué)院院長白春禮和西藏自治區(qū)黨委書記吳英杰陪同下，實地考察了海拔5250米的原初引力波探測實驗平臺建設(shè)現(xiàn)場。

作為該項目首席科學(xué)家的張新民趕上了機遇，在得到政府政策和資金上的支持的同時，他也備感壓力。他說，“當(dāng)下最重要的，就是加快進(jìn)程?！?/p>

但是科學(xué)家們也會遇到難題，比如基金不能自主使用?！皣覍蒲谢鸬氖褂糜泻芏嘞拗?。例如，基金到了，只能買望遠(yuǎn)鏡或者研究望遠(yuǎn)鏡，但是我做的這個項目，最開始必須做土建，建房子、修路、拉電、通網(wǎng)絡(luò)等，它不是一個已經(jīng)建好的地方，一定要從基礎(chǔ)設(shè)施開始。目前我們在做科技部的項目，這部分經(jīng)費就不支持基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)?！睆埿旅裾f。

從去年開始，引力波探測突然備受關(guān)注，隨之而來的，人才需求成為一大問題。吳岳良領(lǐng)導(dǎo)的“太極計劃”現(xiàn)在遇到的一個困難就是人才儲備不夠，因為過去引力波探測領(lǐng)域中國存在人才的斷層，專門做空間引力波探測的人才不夠。他們只能利用中科院有眾多研究所的優(yōu)勢，協(xié)調(diào)和召集各方面的技術(shù)人才。

張新民認(rèn)為，當(dāng)下的科研評價體系也需要改進(jìn)?？蒲腥藛T需要在核心期刊上發(fā)表論文，其研究成果和“百人計劃”“千人計劃”等頭銜息息相關(guān)，這些都影響到研究人員的職稱和物質(zhì)生活。但是像“阿里計劃”這樣的項目在工程期間出不了成果，導(dǎo)致團(tuán)隊很難招到合適的年輕人。

另外，項目在招聘時也會對人才提出各種各樣的要求。從國外回來的相對而言有較大優(yōu)勢， 而國內(nèi)畢業(yè)的博士就會遇到很大困難。 “對于新東西的研究，人才肯定稀缺，就不能拿一個通常的標(biāo)準(zhǔn)來衡量，不能單一地數(shù)論文的數(shù)目， 以及是否有留學(xué)經(jīng)歷。需要看的是真才實學(xué)，是不是所需要的。”張新民認(rèn)為，對于探測引力波這樣有前瞻性的基礎(chǔ)研究項目，要做出創(chuàng)新，就需要團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)者有破格提拔人才的權(quán)力?！氨仨氉鹬乜茖W(xué)規(guī)律，讓項目負(fù)責(zé)人能自主使用經(jīng)費、聘用人員?！?