中國引力波探測方案天琴引熱議：繞地球在太空中架起「豎琴」

隨著美國激光干涉引力波天文台（LIGO）第一次「聆聽」到引力波，其探測成為科學界的熱點辭彙，世界多個國家都制定了各具特色的引力波探測計劃。其中，我國的天琴計劃因其獨特的技術方案被譽為引力波探測的「中國方案」而備受關注。

然而，天琴計劃近日以另一種方式再次引來熱議。由於採用了不同於目前西方歐美國家的方案，國內一些專家對其科學性和有效性表示疑慮。甚至有專家對比歐洲的LISA計劃，對「天琴」方案能否順利實施提出質疑。那麼，美國和歐洲已有類似的探測計劃，為什麼我們還要制定實施天琴計劃？相關專家提出的問題，又如何解決？科技日報記者帶著這些好奇和疑問，聯繫到天琴計劃項目專家，探尋「天琴」的奧秘。

獨闢蹊徑的「中國方案」

學界普遍認為，引力波的發現是物理學和天文學的一項重大突破。它開啟了人類探索宇宙的一扇大門，甚至可能揭開宇宙誕生早期的奧秘。

天琴計劃提出者、中國科學院院士羅俊說，引力波研究不僅是當今物理學科的理論基礎、決定著前沿學科的發展方向，更對包括地震在內的自然環境監測、地質資源勘測，以及導彈軌道設計、潛艇導航性能提升等國防軍工都具有重大意義。

天琴計劃的提出是在2014年3月的一次國際會議上，但是技術積累從上個世紀80年代就開始了。據介紹，天琴計劃的思路是向距地球10萬公里軌道上發射三顆衛星，圍繞地球組建等邊三角形衛星陣列，像在太空中架了一把豎琴，宇宙中的引力波傳過來，則會撥動「琴弦」。通過激光測距等技術測得三顆衛星的距離和位置變化，就能獲取該引力波數據，了解其背後的天文事件和天文過程。

LIGO是探測到引力波的第一個天文機構。但LIGO是在地面上探測引力波。地面觀測儀器因臂長較短，只能接收到高頻引力波。「天琴」是將三顆衛星放在太空里，星間距離可以足夠長，因此可以探測到低頻引力波，捕獲更豐富的物理、天文學過程。

目前，國際上與天琴計劃類似的空間引力波探測計劃主要是歐美主導的LISA計劃。二者都是發射三顆衛星在空間組成大型激光干涉天線來探測引力波。其區別在於LISA運行在太陽軌道周圍，天琴計劃則是地球軌道附近的探測計劃。兩種方案的核心技術基本相同，方案實施各有優缺點。

國際頂尖專家也希望參與其中

對於天琴計劃的疑慮主要也因它運行在地球軌道周圍而起。相關專家認為，該運行軌道可能使衛星遭受過量的太陽輻射而受損，地球陰影的遮擋對儀器觀測的有效時間也有可能產生影響。面對這些疑慮，周澤兵教授說：「對於質疑，我們都有考慮和解決方案。」

「天琴」由三顆衛星構成，當地球、月球、水星或金星等天體運行到「天琴」的某一顆衛星和太陽之間時，就會對照射到衛星上的太陽光造成遮擋，形成太陽陰影問題。周澤兵說，這些遮擋可以是完全遮擋，這時衛星表面溫度會發生顯著變化，但也可能是很小一部分的遮擋，這時將不會對衛星溫度有明顯的影響。為保證儀器設備安全，在可能發生遮擋的所有時刻，可令「天琴」停止科學數據採集工作。

「通過多次模擬，我們發現『天琴』在跨越5年的科學探測期內會碰到7—9次的遮擋事件，每次持續的時間都不超過1小時，其中多數為部分遮擋。」周澤兵說，由於發生遮擋的次數有限且每次持續的時間都很短，在任務運行期間需要留心這些遮擋對儀器設備安全產生影響，但它們不會對「天琴」預期的科學成果產生顯著影響。

軌道運動引起溫度變化，衛星內部的溫度穩定性也是「天琴」的一大難題。

周澤兵說，引力波探測衛星的部分表面會貼上太陽能電池板為衛星供電。通過合理設計任務方案、衛星熱控、衛星結構，可使太陽能電池板成為衛星在整個空間引力波探測過程中唯一能直接被太陽光照射的部位。通過隔空安裝太陽能電池板的方式，能做好太陽能電池板和衛星主體間的隔熱問題，保證衛星內部的溫度穩定性。「雖然最終方案需要進一步研究，但相信我國航天工程人員有充分智慧可以解決這一問題。」周澤兵說。

「天琴計劃」體系龐大，要15—20年的研究時間。國內已有十多個大學和研究院所參與了天琴計劃的工作，但仍有許多工程技術難題有待攻克。羅俊說，德國、義大利、法國的頂尖教授也希望能參與其中。

「我們很有可能走在他們前面」

由於遠離地球，LISA三顆衛星發射運載要求高，衛星從發射到入軌需要經歷1年多的時間，軌道轉移方案複雜，屬於「長途跋涉」，給儀器的壽命和可靠性帶來一定的壓力；其次，為了保持衛星編隊平面與太陽光照射的夾角恆定（60度），需要不斷對每顆衛星的指向進行調整，因此不可避免帶來擾動因素。

周澤兵介紹，「天琴」衛星從發射到入軌預期相對時間較短，對我國而言，目前該技術相對成熟；由於「天琴」激光干涉臂比LISA短，「天琴」在高頻端的探測靈敏度要優於LISA，這對於研究中等質量黑洞、以及聯合地面探測實驗進行多波段引力波研究都非常重要。

今年年初，「天琴」團隊與相關研究機構首次在國內成功實現月（球）—地（球）激光測距，從而為高軌衛星精密定軌技術奠下基礎，這意味著中國的空間引力波探測計劃「天琴」成功邁出了實質性的第一步。

目前，多項核心技術已經攻關且得到驗證，比如空間慣性感測器已經研製成功，且經過了兩次空間搭載驗證。

這是世界上的「科學無人區」。「天琴」一直都在邊建設邊積累，已經做了20多年的技術儲備。正因有幾十年的積澱，在談到歐洲類似的空間引力波探測項目LISA將於2034年升空時，羅俊說：「我們很有可能會走在他們前面。」

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