中新社廣州9月20日電 題：中國(guó)“天琴”如何與世界“共鳴”？

　　——專(zhuān)訪中山大學(xué)天琴計(jì)劃教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任葉賢基

　　中新社記者 許青青

　　2015年7月，中山大學(xué)開(kāi)始空間引力波探測(cè)天琴計(jì)劃的推動(dòng)工作。該項(xiàng)目計(jì)劃于2035年左右部署三顆衛(wèi)星，形成一個(gè)以地球?yàn)橹行�、衛(wèi)星漓道半徑約10萬(wàn)公里的等邊三角形激光干涉儀引力波探測(cè)器——天琴，在太空中探測(cè)引力波。天琴計(jì)劃實(shí)施以來(lái)，取得了多項(xiàng)重要科研成果，并成功吸引了國(guó)內(nèi)外一大批科學(xué)家參與該計(jì)劃。

　　作為中國(guó)空間引力波探測(cè)領(lǐng)域的代表性項(xiàng)目，天琴計(jì)劃與歐美空間引力波探測(cè)項(xiàng)目有哪些不同？目前，天琴計(jì)劃取得了哪些最新進(jìn)展？中國(guó)天琴將如何與世界“共鳴”？中山大學(xué)天琴計(jì)劃教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任葉賢基教授近日接受中新社“東西問(wèn)”獨(dú)家專(zhuān)訪，作出深度解讀。

視頻：【東西問(wèn)】葉賢基：中國(guó)“天琴”如何與世界“共鳴”？來(lái)源：中國(guó)新聞網(wǎng)

　　現(xiàn)將訪談實(shí)錄摘要如下：

　　中新社記者：在引力波被地面引力波探測(cè)器探測(cè)到后，各國(guó)為什么還要在太空探測(cè)引力波？空間引力波天文臺(tái)探測(cè)到的引力波有什么不同？

　　葉賢基：根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論，萬(wàn)有引力的本質(zhì)是時(shí)空的幾何，是質(zhì)量(能量)引起時(shí)空彎曲，彎曲的時(shí)空結(jié)構(gòu)使得質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)軌跡偏離平直的軌道。不變的質(zhì)量(能量)產(chǎn)生不變的時(shí)空結(jié)構(gòu)，這就是靜態(tài)的引力場(chǎng)。相反地，隨時(shí)間變化的質(zhì)量(能量)會(huì)產(chǎn)生時(shí)變的時(shí)空結(jié)構(gòu)，這種隨時(shí)間變化的時(shí)空結(jié)構(gòu)(也有稱(chēng)“時(shí)空漣漪”)就是引力波。兩個(gè)黑洞互相繞著對(duì)方旋轉(zhuǎn)而后逐漸合并、中子星碰撞、超新星爆炸或宇宙誕生等劇烈的天文事件都會(huì)產(chǎn)生引力波，當(dāng)波動(dòng)抵達(dá)地球時(shí)，將“扭曲”地球周?chē)�的時(shí)空。

　　但由于這些能產(chǎn)生引力波的大型天文事件(引力波源)距離地球非常遙遠(yuǎn)，這些引力波到達(dá)地球時(shí)已經(jīng)非常微弱，普通的科學(xué)儀器根本無(wú)法測(cè)量這種微弱的時(shí)空“扭曲”。

　　2015年9月，激光干涉儀引力波天文臺(tái)(LIGO)科學(xué)合作組織首次探測(cè)到了來(lái)自?xún)蓚�(gè)黑洞合并所產(chǎn)生的引力波信號(hào)，持續(xù)時(shí)間約200毫秒，振蕩頻率30—150赫茲。

　　但地面引力波探測(cè)器只能測(cè)到頻率10赫茲以上的引力波信號(hào)。以LIGO為例，其最敏感的頻率范圍大約在幾十至幾百赫茲之間，只能探測(cè)致密雙星并合一瞬間所產(chǎn)生的引力波。想要探測(cè)到低頻段的引力波，激光干涉儀的臂長(zhǎng)需要在幾十萬(wàn)至幾百萬(wàn)公里的量級(jí)，因此只能將這種超大型激光干涉儀放置于宇宙空間之中。

　　在引力波被探測(cè)到之前，人類(lèi)收到的來(lái)自宇宙深處的無(wú)論是無(wú)線電波還是微波信號(hào)等，它們都是以電磁輻射的形式傳播，但是有許多的天體是不發(fā)射電磁波的，例如黑洞。引力波探測(cè)是累察宇宙的一扇新窗口。另一方面，由于引力波與物質(zhì)的相互作用非常弱(電磁輻射可以被物質(zhì)吸收、反射、折射或彎曲等)，可以幾乎不受阻礙地穿過(guò)宇宙，這些波攜帶了有關(guān)其起源的信息，從而使人們對(duì)宇宙有更清晰的認(rèn)識(shí)。

　　新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)會(huì)給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)難以預(yù)估的影響，引力波探測(cè)，將可能帶動(dòng)激光、材料、光學(xué)、航天工程等諸多學(xué)科前沿的發(fā)展；引力波探測(cè)的很多技術(shù)也將對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域(半導(dǎo)體制造、能源、材料、大數(shù)據(jù)等)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，如進(jìn)行空間引力波探測(cè)所需的星間激光干涉測(cè)量技術(shù)就可以被應(yīng)用于衛(wèi)星重力測(cè)量，以獲取精度更高的全球重力場(chǎng)模型等。

航拍中山大學(xué)天琴計(jì)劃激光測(cè)距臺(tái)站。陳楚紅 攝

　　中新社記者：和歐美的LISA相比，天琴計(jì)劃存在哪些方面的不同以及技術(shù)難點(diǎn)？

　　葉賢基：LISA和天琴計(jì)劃雖然都是空間引力波探測(cè)項(xiàng)目，探測(cè)的都是低頻段的引力波，但運(yùn)行軌道和探測(cè)頻段方面存在不同。LISA將在太陽(yáng)軌道發(fā)射三顆衛(wèi)星組成等邊三角形編隊(duì)，其最靈敏探測(cè)頻段為1毫赫茲至0.1赫茲，探測(cè)器臂長(zhǎng)為250萬(wàn)公里，干涉儀測(cè)量精度達(dá)到10pm量級(jí)。

　　天琴計(jì)劃是在約10萬(wàn)公里高的地球軌道上，部署3顆全同衛(wèi)星，構(gòu)成邊長(zhǎng)約為17萬(wàn)公里的等邊三角形編隊(duì)，建成空間引力波探測(cè)天文臺(tái)，開(kāi)展空間基礎(chǔ)科學(xué)前沿研究。天琴的最靈敏頻段為6毫赫茲到1赫茲，干涉儀測(cè)量精度達(dá)到1pm量級(jí)。

　　可以看到，天琴和LISA在靈敏頻段上既有重疊也有差異，因此天琴和LISA的觀測(cè)不僅可以互相驗(yàn)證，同時(shí)也有互補(bǔ)的關(guān)系。利用天琴和LISA進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，可以大幅提高引力波測(cè)量精度和對(duì)引力波源的定為精度。天琴-LISA聯(lián)合觀測(cè)的定為精準(zhǔn)度比單個(gè)探測(cè)器高且定為效率高，覆蓋天區(qū)范圍更廣闊。兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互協(xié)作，將有望更精確測(cè)定引力波波源信息，為人類(lèi)揭開(kāi)更多宇宙奧秘。

　　從技術(shù)上比較，由于天琴衛(wèi)星的地球軌道特性，天琴在星間通信、衛(wèi)星與地面通信、衛(wèi)星測(cè)定軌、入軌時(shí)間等方面具有固有優(yōu)勢(shì)。但是由于探測(cè)器臂長(zhǎng)較短，這就要求天琴的激光干涉測(cè)量精度需求必須比LISA更加嚴(yán)苛，技術(shù)難度更大。

　　除了激光干涉測(cè)量技術(shù)之外，慣性傳感技術(shù)、無(wú)拖曳控制技術(shù)、超靜超穩(wěn)衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)是天琴和LISA都必須發(fā)展的共通技術(shù)。

航拍中山大學(xué)天琴計(jì)劃激光測(cè)距臺(tái)站。陳楚紅 攝

　　中新社記者：天琴計(jì)劃目前進(jìn)展到哪一步，取得了哪些成果？

　　葉賢基：天琴計(jì)劃有一個(gè)“0123”技術(shù)路線圖，其中第“0”步開(kāi)展月球激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)，為天琴衛(wèi)星的高精度定軌提供技術(shù)支撐，第“1”步開(kāi)展單星試驗(yàn)，對(duì)高精度空間慣性基準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行在軌試驗(yàn)驗(yàn)證，第“2”步開(kāi)展雙星試驗(yàn)，對(duì)星間激光干涉測(cè)量技術(shù)進(jìn)行在軌試驗(yàn)驗(yàn)證，第“3”步發(fā)射天琴三星，進(jìn)行引力波的空間探測(cè)和長(zhǎng)期科學(xué)值守。

　　目前，天琴計(jì)劃的前兩個(gè)階段任務(wù)已經(jīng)順利完成。2019年11月，位于珠海市鳳凰山頂?shù)奶烨儆?jì)劃激光測(cè)距臺(tái)站歷史性地測(cè)到了月面上全部五個(gè)反射器信號(hào)，使中國(guó)成為繼美國(guó)、法國(guó)后世界上第三個(gè)成功測(cè)得全部五個(gè)月球反射器的國(guó)家。這是天琴計(jì)劃的第“0”步，為10萬(wàn)公里軌道衛(wèi)星的高精度測(cè)定軌提供了技術(shù)支撐。

葉賢基介紹中山大學(xué)天琴計(jì)劃激光測(cè)距臺(tái)站內(nèi)的1.2m激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡。陳楚紅 攝

　　2019年12月20日，天琴計(jì)劃的第“1”步“天琴一號(hào)”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射入軌，并開(kāi)展了一年多的在軌測(cè)試�！疤烨僖惶�(hào)”利用在軌高性能慣性基準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)建立了15階次地球重力場(chǎng)模型，這是中國(guó)首次使用國(guó)產(chǎn)自主衛(wèi)星測(cè)得全球重力場(chǎng)數(shù)據(jù)，使中國(guó)成為第三個(gè)有能力自主探測(cè)全球重力場(chǎng)的國(guó)家�！疤烨僖惶�(hào)”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星成果整體已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其中高精度慣性測(cè)量、航天器無(wú)拖曳控制技術(shù)等在同等條件下處于國(guó)際領(lǐng)先水平。目前，天琴計(jì)劃的第“2”步“天琴二號(hào)”技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目正在順利推進(jìn)中，預(yù)計(jì)將于2025年底具備發(fā)射條件。

　　此外，有關(guān)天琴計(jì)劃第“3”步“天琴三號(hào)”引力波探測(cè)衛(wèi)星項(xiàng)目的研究也順利推進(jìn)，團(tuán)隊(duì)在任務(wù)總體概念方案、科學(xué)目標(biāo)和數(shù)據(jù)處理等方面都取得了重要進(jìn)展，包括證明了地球重力場(chǎng)原則上不會(huì)影響天琴的設(shè)計(jì)靈敏度、完成了天琴科學(xué)目標(biāo)的第一輪評(píng)估、針對(duì)天琴的所有主要引力波源開(kāi)發(fā)了初步的數(shù)據(jù)處理方法等。

葉賢基教授和學(xué)生討論“天琴計(jì)劃”。陳楚紅 攝

　　中新社記者：如今，天琴團(tuán)隊(duì)已經(jīng)吸引國(guó)內(nèi)20多個(gè)單位和8個(gè)國(guó)家和地區(qū)的一大批科學(xué)家參與。這種全球性的合作交流將給世界引力波探測(cè)和研究帶來(lái)哪些有益影響？

　　葉賢基：天琴計(jì)劃由中國(guó)科學(xué)院院士羅俊教授領(lǐng)銜，合作團(tuán)隊(duì)來(lái)自包括中山大學(xué)、華中科技大學(xué)、航天東方紅衛(wèi)星有限公司、中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)、上海交通大學(xué)、華東師范大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)等在內(nèi)的高校、科研院所和航天工業(yè)單位，同時(shí)也不斷吸納國(guó)外一流團(tuán)隊(duì)加入天琴計(jì)劃研究工作，在物理學(xué)、天文學(xué)、宇航科學(xué)與技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展深入合作。天琴計(jì)劃已成為中方主導(dǎo)的有重要國(guó)際影響力的合作項(xiàng)目，不斷集聚全世界最優(yōu)秀的科學(xué)家朝著同一個(gè)目標(biāo)努力。

　　此外，國(guó)際上由歐美主導(dǎo)的空間引力波探測(cè)LISA項(xiàng)目雖然已經(jīng)推出很久，但也還有很多難點(diǎn)問(wèn)題沒(méi)有完全解決。我們的研究跟他們?cè)诤芏喾矫婢邆浠パa(bǔ)性，通過(guò)天琴計(jì)劃的開(kāi)展，我們將能夠共同去攻克一些目前還沒(méi)解決的科學(xué)與技術(shù)難題，在引力波探測(cè)領(lǐng)域作出中國(guó)貢獻(xiàn)。(完)

　　受訪者簡(jiǎn)介：

中山大學(xué)天琴計(jì)劃教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任葉賢基接受中新社“東西問(wèn)”獨(dú)家專(zhuān)訪。陳楚紅 攝

　　葉賢基，理學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師。中山大學(xué)天琴計(jì)劃教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、中山大學(xué)物理與天文學(xué)院教授。

　　1998年畢業(yè)于新竹清華大學(xué)物理研究所，獲博士學(xué)位。畢業(yè)后進(jìn)入臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院量測(cè)技術(shù)發(fā)展中心工作，歷任研究員、“新質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”與“納米長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，兼任東吳大學(xué)物理系講師。2002年為華中科技大學(xué)物理系訪問(wèn)教授。2003年至2006年于新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與航空工程學(xué)院任助理教授。2006年7月通過(guò)中山大學(xué)百人計(jì)劃人才引進(jìn)，加入中山大學(xué)工學(xué)院。2008年6月調(diào)入華中科技大學(xué)物理學(xué)院，曾任物理學(xué)院副院長(zhǎng)、基本物理量測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。2016年6月調(diào)入中山大學(xué)物理與天文學(xué)院。研究領(lǐng)域：精密測(cè)量物理。目前研究工作集中在空間激光干涉測(cè)量技術(shù)的研究，研發(fā)用于衛(wèi)星重力場(chǎng)測(cè)量和空間引力波探測(cè)所需的高精度光學(xué)傳感技術(shù)和星間激光測(cè)距技術(shù)。