东西问｜叶贤基：中国“天琴”如何与世界“共鸣”？

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       中新社广州9月20日电 题：中国“天琴”如何与世界“共鸣”？

　　——专访中山大学天琴计划教育部重点实验室副主任叶贤基

　　中新社记者 许青青

　　2015年7月，中山大学开始空间引力波探测天琴计划的推动工作。该项目计划于2035年左右部署三颗卫星，形成一个以地球为中心、卫星轨道半径约10万公里的等边三角形激光干涉仪引力波探测器——天琴，在太空中探测引力波。天琴计划实施以来，取得了多项重要科研成果，并成功吸引了国内外一大批科学家参与该计划。

　　作为中国空间引力波探测领域的代表性项目，天琴计划与欧美空间引力波探测项目有哪些不同？目前，天琴计划取得了哪些最新进展？中国天琴将如何与世界“共鸣”？中山大学天琴计划教育部重点实验室副主任叶贤基教授近日接受中新社“东西问”独家专访，作出深度解读。

　　现将访谈实录摘要如下：

　　中新社记者：在引力波被地面引力波探测器探测到后，各国为什么还要在太空探测引力波？空间引力波天文台探测到的引力波有什么不同？

　　叶贤基：根据爱因斯坦广义相对论，万有引力的本质是时空的几何，是质量(能量)引起时空弯曲，弯曲的时空结构使得质量块的运动轨迹偏离平直的轨道。不变的质量(能量)产生不变的时空结构，这就是静态的引力场。相反地，随时间变化的质量(能量)会产生时变的时空结构，这种随时间变化的时空结构(也有称“时空涟漪”)就是引力波。两个黑洞互相绕着对方旋转而后逐渐合并、中子星碰撞、超新星爆炸或宇宙诞生等剧烈的天文事件都会产生引力波，当波动抵达地球时，将“扭曲”地球周围的时空。

　　但由于这些能产生引力波的大型天文事件(引力波源)距离地球非常遥远，这些引力波到达地球时已经非常微弱，普通的科学仪器根本无法测量这种微弱的时空“扭曲”。

　　2015年9月，激光干涉仪引力波天文台(LIGO)科学合作组织首次探测到了来自两个黑洞合并所产生的引力波信号，持续时间约200毫秒，振荡频率30—150赫兹。

　　但地面引力波探测器只能测到频率10赫兹以上的引力波信号。以LIGO为例，其最敏感的频率范围大约在几十至几百赫兹之间，只能探测致密双星并合一瞬间所产生的引力波。想要探测到低频段的引力波，激光干涉仪的臂长需要在几十万至几百万公里的量级，因此只能将这种超大型激光干涉仪放置于宇宙空间之中。

　　在引力波被探测到之前，人类收到的来自宇宙深处的无论是无线电波还是微波信号等，它们都是以电磁辐射的形式传播，但是有许多的天体是不发射电磁波的，例如黑洞。引力波探测是观察宇宙的一扇新窗口。另一方面，由于引力波与物质的相互作用非常弱(电磁辐射可以被物质吸收、反射、折射或弯曲等)，可以几乎不受阻碍地穿过宇宙，这些波携带了有关其起源的信息，从而使人们对宇宙有更清晰的认识。

　　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、航天工程等诸多学科前沿的发展；引力波探测的很多技术也将对先进制造技术领域(半导体制造、能源、材料、大数据等)产生深远影响，如进行空间引力波探测所需的星间激光干涉测量技术就可以被应用于卫星重力测量，以获取精度更高的全球重力场模型等。

　　中新社记者：和欧美的LISA相比，天琴计划存在哪些方面的不同以及技术难点？

　　叶贤基：LISA和天琴计划虽然都是空间引力波探测项目，探测的都是低频段的引力波，但运行轨道和探测频段方面存在不同。LISA将在太阳轨道发射三颗卫星组成等边三角形编队，其最灵敏探测频段为1毫赫兹至0.1赫兹，探测器臂长为250万公里，干涉仪测量精度达到10pm量级。

　　天琴计划是在约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编队，建成空间引力波探测天文台，开展空间基础科学前沿研究。天琴的最灵敏频段为6毫赫兹到1赫兹，干涉仪测量精度达到1pm量级。

　　可以看到，天琴和LISA在灵敏频段上既有重叠也有差异，因此天琴和LISA的观测不仅可以互相验证，同时也有互补的关系。利用天琴和LISA进行联合观测，可以大幅提高引力波测量精度和对引力波源的定位精度。天琴-LISA联合观测的定位精准度比单个探测器高且定位效率高，覆盖天区范围更广阔。两者优势互补、相互协作，将有望更精确测定引力波波源信息，为人类揭开更多宇宙奥秘。

　　从技术上比较，由于天琴卫星的地球轨道特性，天琴在星间通信、卫星与地面通信、卫星测定轨、入轨时间等方面具有固有优势。但是由于探测器臂长较短，这就要求天琴的激光干涉测量精度需求必须比LISA更加严苛，技术难度更大。

　　除了激光干涉测量技术之外，惯性传感技术、无拖曳控制技术、超静超稳卫星平台技术是天琴和LISA都必须发展的共通技术。

　　中新社记者：天琴计划目前进展到哪一步，取得了哪些成果？

　　叶贤基：天琴计划有一个“0123”技术路线图，其中第“0”步开展月球激光测距实验，为天琴卫星的高精度定轨提供技术支撑，第“1”步开展单星试验，对高精度空间惯性基准技术进行在轨试验验证，第“2”步开展双星试验，对星间激光干涉测量技术进行在轨试验验证，第“3”步发射天琴三星，进行引力波的空间探测和长期科学值守。

　　目前，天琴计划的前两个阶段任务已经顺利完成。2019年11月，位于珠海市凤凰山顶的天琴计划激光测距台站历史性地测到了月面上全部五个反射器信号，使中国成为继美国、法国后世界上第三个成功测得全部五个月球反射器的国家。这是天琴计划的第“0”步，为10万公里轨道卫星的高精度测定轨提供了技术支撑。

　　2019年12月20日，天琴计划的第“1”步“天琴一号”技术试验卫星成功发射入轨，并开展了一年多的在轨测试。“天琴一号”利用在轨高性能惯性基准测量数据建立了15阶次地球重力场模型，这是中国首次使用国产自主卫星测得全球重力场数据，使中国成为第三个有能力自主探测全球重力场的国家。“天琴一号”技术试验卫星成果整体已经达到国际先进水平，其中高精度惯性测量、航天器无拖曳控制技术等在同等条件下处于国际领先水平。目前，天琴计划的第“2”步“天琴二号”技术试验卫星项目正在顺利推进中，预计将于2025年底具备发射条件。

　　此外，有关天琴计划第“3”步“天琴三号”引力波探测卫星项目的研究也顺利推进，团队在任务总体概念方案、科学目标和数据处理等方面都取得了重要进展，包括证明了地球重力场原则上不会影响天琴的设计灵敏度、完成了天琴科学目标的第一轮评估、针对天琴的所有主要引力波源开发了初步的数据处理方法等。

　　中新社记者：如今，天琴团队已经吸引国内20多个单位和8个国家和地区的一大批科学家参与。这种全球性的合作交流将给世界引力波探测和研究带来哪些有益影响？

　　叶贤基：天琴计划由中国科学院院士罗俊教授领衔，合作团队来自包括中山大学、华中科技大学、航天东方红卫星有限公司、中国科学院云南天文台、上海交通大学、华东师范大学、扬州大学等在内的高校、科研院所和航天工业单位，同时也不断吸纳国外一流团队加入天琴计划研究工作，在物理学、天文学、宇航科学与技术等多个领域开展深入合作。天琴计划已成为中方主导的有重要国际影响力的合作项目，不断集聚全世界最优秀的科学家朝着同一个目标努力。

　　此外，国际上由欧美主导的空间引力波探测LISA项目虽然已经推出很久，但也还有很多难点问题没有完全解决。我们的研究跟他们在很多方面具备互补性，通过天琴计划的开展，我们将能够共同去攻克一些目前还没解决的科学与技术难题，在引力波探测领域作出中国贡献。

 

【受访者简介】

　　叶贤基，理学博士，教授，博士生导师。中山大学天琴计划教育部重点实验室副主任、中山大学物理与天文学院教授。

　　1998年毕业于新竹清华大学物理研究所，获博士学位。毕业后进入台湾工业技术研究院量测技术发展中心工作，历任研究员、“新质量标准”与“纳米长度标准”项目负责人，兼任东吴大学物理系讲师。2002年为华中科技大学物理系访问教授。2003年至2006年于新加坡南洋理工大学机械与航空工程学院任助理教授。2006年7月通过中山大学百人计划人才引进，加入中山大学工学院。2008年6月调入华中科技大学物理学院，曾任物理学院副院长、基本物理量测量教育部重点实验室主任。2016年6月调入中山大学物理与天文学院。研究领域：精密测量物理。目前研究工作集中在空间激光干涉测量技术的研究，研发用于卫星重力场测量和空间引力波探测所需的高精度光学传感技术和星间激光测距技术。