重磅 | 中山大学“天琴计划”登上国际顶级期刊

北京时间9月16日凌晨，国际最权威的天文刊物之一Nature Astronomy（《自然·天文》）杂志刊登了中科院院士、科技部引力波重点专项专家组组长、天琴计划首席科学家、中山大学校长罗俊教授联合撰写的论文Concepts and status of Chinese space gravitational wave detection projects 。

该论文全方位地介绍了中国空间引力波探测计划的历史、概念及进展。这是中国科学家第一次在顶尖国际杂志对中国空间引力波探测计划做完整系统的介绍，并对未来参与国际竞争与合作发出中国声音。

论文首次提出，如果中外的空间引力波探测计划如期实现，那么到本世纪30年代，欧洲的LISA，中国的天琴计划、太极计划，通过优势互补、相互协作，将有望确定引力波波源等重大宇宙信息，从而为人类揭开更多宇宙奥秘。

国际上几个主要空间引力波探测计划示意图

Nature Astronomy是国际顶级学术期刊Nature(《自然》)于2017年创立的自然科学类子刊，是天文学领域国际权威学术期刊。

中国对空间引力波探测的投入力度大，前瞻性研究进展迅猛，所以得到了国际科学界的高度关注，此次论文是Nature Astronomy主编专门邀请中国科学家撰写。华中科技大学龚云贵教授、中山大学罗俊教授、上海引力波探测前沿科学中心及扬州大学引力与宇宙学中心的王斌教授共同撰写了此文。

该论文的发表，引起国际社会广泛关注，让这一最前沿科学问题进入到更多人的视野，同时也提供了让更多感兴趣的学者学习和了解的机会。

天琴计划究竟有什么不同

作为中国自主空间引力波探测计划，天琴计划的方案确实不一样。欧洲LISA计划是日心轨道，而中国的天琴计划采用的是地心轨道方案，在空间引力波探测上，具有互补性。

该论文分析，单个探测器对于不同空间方位的敏感度不同。不同的探测器联合起来不仅可以覆盖更宽广的空间，而且可以更加精确地确定引力波源的物理参数，从而更好地理解种子黑洞的起源及演化、宇宙的起源及演化与引力的本质特性等。

各种引力波探测器的探测频率与灵敏度

另外，与LISA相比，天琴对相对高频信号（0.1赫兹）观测更加敏感，由于波源定位能力随频率增大而提高，天琴在对高频引力波波源的定位能力方面具有明显的优势。

考虑到LISA与天琴不同的设计理念与运行轨道，它们联合观测时能互补，在1-100毫赫兹范围内，LISA-天琴联合观测网的定位精准度比单个探测器高且定位效率也高，覆盖天区范围更广阔。

天琴的敏感频率在几十毫赫兹频段，它的定位及探测能力不会受到探测器平面指向固定参考源的影响。

天琴计划珠海激光测距台站

联合观测不但可以极大提高对引力波源的空间定位能力，而且可以观测到更宽的频段及更大的空间范围，从而为研究哈勃常数等宇宙学参数及宇宙演化提供新的观测手段。这是科学家们首次对不同计划协同应用进行的理论研究新发现。

中国为何需要在太空探测引力波

引力波是时空的涟漪，它能告诉我们关于宇宙起源、演化和时空结构的信息。100多年前爱因斯坦广义相对论就已经预言了她的存在。

2016年2月11日，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布在2015年9月14日人类首次直接探测到了引力波，证实了爱因斯坦的预言。这是21世纪物理学最重大的发现，它宣告了引力波天文学时代的到来。2017年，这一发现获得了诺贝尔物理学奖。

2017年诺贝尔物理学奖授予三位美国科学家 以表彰他们为发现引力波所作的贡献

到目前为止，美国的LIGO和欧洲的Virgo观测到了50多个引力波事件，这些信号都是由天体中恒星级双黑洞、双中子星、黑洞与中子星或黑洞与其他奇异致密星体合并产生的。在中国，也有在地面以探测原初引力波为目标的阿里计划。中国科学家在这个领域一直在探索和努力。

不过，地面引力波探测器有局限性，只能检测到由恒星级黑洞或中子星并合所发出的频率较高的短暂强烈的引力波。人类要探测低频引力波只能到太空去，也因此欧美发达国家很早就布局了空间引力波探测计划，LISA就是其中最有名的一个。

与此同时，中国科学家从来没有放弃对这一最前沿的科学问题的探索。

空间引力波探测，既是一个科学计划，实际上也是一个科技创新的牵引器。因为要实现空间引力波探测的目标，需要强大和完备的航天科技、航天工业体系的支撑，更为重要的是，目标牵引之下，将实现一系列新科技、新技术的突破，为国家安全和经济社会发展带来不可估量的意义。

而这个领域，不仅成为世界顶尖科学家竞逐的领域，也是大国科技竞争的一个热点。

中山大学与引力波探测有何渊源

回答这个问题，绕不开陈嘉言这个名字。陈嘉言，1959年毕业于中山大学物理系，在中山大学开展引力波探测方面的研究工作。上世纪70年代，中山大学引力物理研究室建设常温共振型引力波天线，测量灵敏度被认为是当时国际同类引力波天线的最高水平之一。

陈嘉言教授工作照（资料图）

1979年7月，在意大利召开的第二届格拉斯曼广义相对论国际会议上，来自中山大学的陈嘉言教授由于在引力波研究方面的贡献，被聘为会议顾问委员会委员。这是中国的引力波研究第一次被国际社会认可。

但不幸却发生了，1982年陈嘉言因公殉职。中山大学的引力波探测被迫中断。

差不多同一时间，位于武汉的华中工学院（今天的华中科技大学）物理系的罗俊老师正埋首于引力基础实验研究，多年如一日在喻家山山洞里做相关实验；到90年代中期，他又开始引力波探测隔振关键技术研究，并在国际上发表相关论文；2000年，罗俊团队布局了空间惯性传感技术的研究，2002年布局了星间激光干涉测量技术的研究。

这些技术正是在太空中进行引力波探测的几项最核心技术。

央视新闻曾报道罗俊教授的引力实验室

经过持续多年的研究和不懈努力，罗俊教授团队的空间加速度计在国内率先进行了在轨飞行试验，为我国自主开展空间引力波探测奠定了关键技术基础。

罗俊教授团队始终坚持走自主发展的道路，于2014年在国内率先提出要自主开展我国的空间引力波探测天琴计划。

2015年，罗俊教授来到中山大学做校长，并继续在中山大学推进这一科学计划，继续带领团队攻关空间引力波探测所需要的核心技术。

天琴计划如何奏响妙音

天琴计划的方案被称为中国方案，与欧洲LISA计划不同，它的目标是在2035年前后，在约10万公里高的地球轨道上，部署3颗全同卫星，构成边长约为17万公里的等边三角形星座，建成空间引力波天文台“天琴”，开展引力波的空间探测。

天琴计划示意图

“天琴计划”制定了“0123计划”技术路线图，利用可靠、经济、科学的手段展开技术攻关和在轨验证，分步实施，“沿途下蛋”，一方面各步骤任务有自己的科学产出或重大应用，另一方面又分阶段推动我国空间引力波探测关键技术走向成熟，从而保障空间引力波探测任务的最终开展。

目前，天琴计划“0123”技术路线图中的第“0”步的月球激光测距和第“1”步的“天琴一号”技术试验卫星项目已经顺利开展，作为第“2”步的“天琴二号”卫星项目正在顺利推进中。

”天琴一号”发射现场图

新的科学发现，会给人类社会带来难以预估的影响。引力波探测，将可能带动激光、材料、光学、工程、计算机等诸多学科前沿的发展；引力波探测的很多技术将对或者已经对半导体制造、能源、材料、大数据等实用领域产生深远影响。

天琴计划不为功利，但有可能产生最大的“功利”，攻克一批卡脖子、高精尖的技术。