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天琴计划”落子深圳:中国加速探索引力波 商业
作者: MBX 来源: 未知 发布时间:2018-08-11 12:04

  与历史上众多科学发现一样,引力波还难言运用在具体的场景之中;但毫无疑问,天琴计划的推进将带动一批科学技术的发展。目前,天琴计划运用的激光测距、大数据算法等有望得到发展,并在商业上大展拳脚。

  感知浩瀚无垠的宇宙,是人类千百年来孜孜以求的梦想。这梦想既动人又曲折——面向头顶上的星空,从来都是只能远观而不能“聆听”。宇宙之于人类而言就是一片寂静。

  然而,宇宙天体并不是“无声”的,如同石头落下池塘会激起水花和涟漪一般,宇宙的时空运动也会激起“时空的涟漪”,但人类无法感知宇宙这种“水滴的声音”。直到2015年9月14日,天文学家终于捕捉到“宇宙的声音”。

  这种特殊的“声音”,与数百年来人类已发现和运用的光波、电磁波不同,天文学家称之为“引力波”。至2017年10月16日,LIGO( The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,激光干涉仪引力波天文台)首次发现双中子星并合引力波事件。这使得人类第一次“听”到宇宙的声音——LIGO 团队将监测到的引力波“编译”成一段不足1秒钟的“噗”的一声。

  在全球探索引力波的梦想之旅中,有一批中国科学家的身影。在珠江口,由中国科学院院士、中山大学校长罗俊领衔的中山大学团队,正在进行一项雄心勃勃的引力波探测工程——“天琴计划”。

  7月30日,中山大学宣布,“天琴计划”空间引力波探测地面模拟装置重大科技基础设施正式立项。项目建设选址该校新落成的深圳校区,建设总投资预算超过10亿元人民币。至此,启动于2015年7月的天琴计划,继激光角反射器5月“搭乘”嫦娥四号“鹊桥”号中继卫星后,又一次摁下实质性的加速键。

  与历史上众多科学发现一样,引力波还难言运用在具体的场景之中;但毫无疑问,天琴计划的推进将带动一批科学技术的发展。目前,天琴计划运用的激光测距、大数据算法等有望得到发展,并在商业上大展拳脚。

  “天琴”,这一名字让人联想到乐器中造型精美的竖琴。按照设计,“天琴计划”主要由连成等边三角形排列的三颗卫星组成,卫星的轨道如同三条琴弦,因而称之为“天琴”。万博客户端“天琴计划”涉及的总投资约150亿人民币,预期在15至20年内发射。

  这是一个复杂的系统工程,既包括太空的基础设施,也包括一系列地面的重大科学装置,可谓是“天地互动”。这一重磅工程,正在快速推进。

  据悉,“天琴计划”地面模拟装置是“天琴计划”的重要组成部分,设施以服务未来空间引力波探测为核心目标,通过建设空间复杂环境模拟系统、超高精度惯性基准模拟系统、长基线激光干涉测量模拟系统、数值仿真与数据应用系统四大系统。

  业内人士分析认为,这一项目将形成对空间引力波探测进行全系统模拟的能力,为解决空间引力波探测面临的系列核心技术难题,提供大型复杂科学系统支撑。这包括高精度惯性基准、超远距离星间测距、太空复杂环境影响的精确评估以及多自由度编队控制。

  也就是说,在地面的“模拟”完善后,中山大学团队将在太空的“实地”进行“实操”。

  这也是广东省首个自主提出、自主建设的重大科技基础设施,建设选址在中山大学深圳校区,总投资预算超过10亿元人民币。

  除前述的地面模拟装置外,“天琴计划”还包括载荷研究基地、系列实验卫星等任务。其中,载荷研究基地位于中大珠海校区,该项目主要包括关键技术和载荷的研发与测试。

  值得注意的是,5月21日发射成功的“鹊桥”号中继卫星,携带天琴计划团队研制的激光角反射器,并计划于明年初进行人类首次超过地月距离的激光测距实验,迈出引力波探测“天琴计划”的实操第一步。

  值得注意的是,“天琴计划”并不是中国探索引力波的唯一计划。同时在研究引力波的还有中国科学院发起的“太极空间计划”。而在 LIGO 发现双中子星并合引力波事件的过程中,中国的第一颗空间硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”的监测也做出了巨大的贡献。

  而在全球层面,目前探索引力波的除了LIGO,还有欧洲的 LISA 计划。该计划预计于2034年发射,这相当于把一个放大60万倍的LIGO送上太空。万博客户端,这与天琴计划的发射时间相近。

  罗俊表示,我国空间引力波探测正面临约15年的关键时间窗口。欧洲的LISA计划预计在2034年发射,而“天琴计划”相比LISA在30mHz以上的高频段更灵敏,对多波段引力波天文学更有优势,并计划将在2030年前后发射3颗卫星,组成空间引力波观测系统,对宇宙中广泛存在的中低频引力波展开探测。

  200多年前,一位官员在观看了法拉第的电动机表演的时候,很不客气地反问道:“这样的东西会有什么用?”法拉第回答:“我想在将来的某一天,您一定会向它收税的。”

  这是历史上许多科学发现都遇到过的问题。如今,无论是 LISA 计划还是天琴计划,都会面临着市场的追问——它有什么用?它能够使生活变得更美好?巨额投入去探究一个看不见摸不着的“引力波”,投入的钱是否也像投进水中的石头一样,除了泛起涟漪有个声响,什么都不剩?

  如今,法拉第发现的电磁定律已经广泛应用在各行各业。电磁波虽然看不见摸不着,但凭借法拉第等前人的智慧,人们已将其植入工作与生活的工具之中。作为最近几年才被“捕捉”到的引力波,其未来会像电磁波一样有很好的商业前景吗?

  很可惜,因为过于“基础”,至少从现在的情况看,引力波商业化仍非常遥远。与电磁波不同,尽管两个距离超远的星体依旧存在引力波而且不受干扰,但引力波功率太弱,很难监测。这一特点既是优点,又是天生的缺陷。

  罗俊曾经举例说,在宇宙中,光波的传输相当于有人在屋子里走动,而引力波则是屋子架构本身细微的振动。

  引力波探测的价值在于,引力波拓展了人类感知宇宙的边界,过往人类只能“看”宇宙,现在可以“听”。综合运用电磁波、光波、引力波等多种方式,人类或许能更加清楚地感知宇宙。因而,科学家有一个判断,引力波探测的突破,将使得“多信使天文学”迎来新的时代。

  反过来,引力波的探测商业化前景尚不可知,但一系列商业化前景看好的技术应用,却正在推动引力波探测的发展。从LIGO、天琴计划涉及的领域来看,两大领域值得关注:一是激光测距技术,比如天琴计划放在“鹊桥”卫星的就是激光角反射器,二是当下炙手可热的大数据计算,测量的海量数据需要更优的算法。在 LIGO“捕捉”引力波的喜讯中,另一个做出贡献的团队来自清华大学,他们参与了引力波数据计算基础平台的构建。

  LIGO 成员胡一鸣指出,在LIGO的建造中,涉及无数科研前沿的问题等待突破,而这些技术上的创新与突破衍生出很多草创公司,也许未来某一天,我们也将从中受益。要知道,创造互联网的,并不是某个商业公司,而是为了探索高能物理的欧核中心。

  目前,市场上可看到的引力波与商业航天结合的是“天格计划”。2017年9月,一项以探测引力波为目标的“天格计划”,由清华大学天体物理中心和天仪研究院共同达成。该计划预计在约600公里的不同轨道发射24颗微小卫星组成星座实现空间分布式引力波暴电磁对应体探测网,亦伽马射线暴探测网。这是在中国天体物理学领域一次新的校企合作。

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