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国家航天局引力波研究中心揭牌成立,这对探索太空有何影响?

作者:三青 时间:2023-05-13 阅读数:人阅读

 

先说一个我个人的想法:我觉得国家设立这个引力波研究中心意味着我国酝酿已久的空间引力波探测项目可能即将要拍板上马了。之所以这样认为,是因为我印象中以前在国家层面上好像很少针对基础物理的某个具体方向单独设立一个研究机构。如果我国真的要推动空间引力波探测这个投资百亿级别的大科学项目的话,这个机构的设立就是合情合理的了。

接下来说说空间引力波探测是要干什么吧。传统的地面引力波探测是将两条笔直的真空管道(称为臂)成90°角放置组成一个迈克耳孙干涉仪,每条管道的臂长有好几公里,这个仪器可以通过光的干涉效应测量到干涉仪臂的原子级别的长度变化。当引力波传播至地球时,时空几何的波动会改变干涉仪的臂长,探测器将这个变化捕捉到,就可以实现对引力波的观测。而所谓的空间引力波探测,就是把干涉仪放到外太空,只不过不再使用真空管道,而是直接用使用多颗卫星在外太空组成干涉仪。这样做的好处是,可以大大地增加干涉仪的臂长,使得我们探测到更低频的引力波甚至是宇宙的随机引力波背景。

那么探测到低频引力波或者随机引力波背景有什么意义呢?从天体物理的角度讲,超大质量双黑洞、极端质量比双星、银河系内的致密双星都是低频引力波源,空间引力波探测可以让我们更加精确地研究这些天体系统。从宇宙学和基础物理的角度讲,随机引力波背景中极有可能包含着电弱相变之前的极早期宇宙的信息,一旦探测到它,就可以帮助我们还原宇宙大爆炸早期的情景,甚至可以由此推断出TeV能标以上的基础物理理论。因此,空间引力波探测是意义重大的。

我国现在有两个备选的空间引力波探测项目,中国科学院发起的“太极计划”和中山大学发起的“天琴计划”。两个都是使用三颗卫星组成迈克尔孙干涉仪,但是具体方案不同。太极设计的干涉仪臂长为300万公里,在地球后方运行,如下图中Taiji所示。天琴设计的臂长为17万公里,绕地球运行,如下图中TianQin所示。图中其他的方案分别是欧洲和日本的方案。

空间引力波探测装置的建设方案(图片来自网络)

总之,不论最后选择太极还是天琴的方案,都会极大地推动天体物理和极早期宇宙学的研究,期间积累的技术成果也会逐步进入国防或民用领域。对我们宇宙学的研究生来说,新的大型实验也意味着新的研究岗位,我们对将来找不到工作的焦虑也可以缓解一下了。

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三青

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