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我校引力与宇宙学中心在《Nature Astronomy》发表学术论文

916日,我校引力与宇宙学中心与中山大学、华中科技大学等单位在新一期国际权威期刊《自然-天文》(Nature Astronomy)上在线发表了题为《Concepts and status of Chinese space gravitational wave detection projects》的学术论文。

引力波是时空的涟漪,藏着无数关于宇宙起源、演化和时空结构的信息。100多年前爱因斯坦广义相对论预言了她的存在,但直到2016211日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布在2015914日人类首次直接探测到了引力波,自此宣告了引力波天文学时代的到来。

至今,美国的LIGO和欧洲的VIRGO观测到了50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。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。如果要利用引力波更加深入了解天文学领域,就必须进入太空。

此次《自然-天文》杂志发文是中国科学家第一次在国际顶尖学术刊物完整、系统地介绍中国引力波研究发展的历史、投入、规划及进展。文章介绍了在中国开展引力波探测得到了党和国家的高度重视。国家科技部启动了引力波探测重点专项、国家自然科学基金委启动了引力波重大计划,科学院、教育部等部门对引力波的研究也有了中、远期布局。中国科学家独立提出了“太极”与“天琴”两个空间引力波探测计划,加入到了引力波这一国际最前沿、最基础的科学研究竞争队列。

中国空间引力波探测的太极计划,与欧洲LISA计划基本相同,为在距离地球约5000万公里的日心轨道上,发射三颗全同卫星,三星编队轨道以太阳为中心,设计干涉臂臂长即卫星间距300万公里。2016年,提出该计划的中国科学院为实现它制定了“三步走”发展路线。

天琴计划作为中国自主空间引力波探测计划,被称为中国方案。与欧洲LISA计划不同,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。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。

该论文分析认为,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。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。

中国引力波探测天琴计划、太极计划以及欧美的LISA计划都是探测低频引力波的太空探测方案,本世纪三十年代这三个计划都将开始执行,全人类都在观望着这三个空间引力波观测站能否互相协作,共同揭示更深刻的引力物理本质与宇宙奥秘,这是值得我们期待的。在该篇文章中,作者对各国空间引力波天文台联合探测的意义及可能得到的前瞻性创新科研成果第一次发出了中国声音。

上述论文由我校王斌教授与中科院院士、中山大学校长罗俊教授以及华中科技大学龚云贵教授共同完成,463am永利引力与宇宙学中心为共同通迅单位。

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