中新社廣州9月20日電 題：中國“天琴”如何與世界“共鳴”？
——專訪中山大學(xué)天琴計劃教育部重點(diǎn)實驗室副主任葉賢基
中新社記者 許青青
2015年7月，中山大學(xué)開始空間引力波探測天琴計劃的推動工作。該項目計劃于2035年左右部署三顆衛(wèi)星，形成一個以地球為中心、衛(wèi)星漓道半徑約10萬公里的等邊三角形激光干涉儀引力波探測器——天琴，在太空中探測引力波。天琴計劃實施以來，取得了多項重要科研成果，并成功吸引了國內(nèi)外一大批科學(xué)家參與該計劃。
作為中國空間引力波探測領(lǐng)域的代表性項目，天琴計劃與歐美空間引力波探測項目有哪些不同？目前，天琴計劃取得了哪些最新進(jìn)展？中國天琴將如何與世界“共鳴”？中山大學(xué)天琴計劃教育部重點(diǎn)實驗室副主任葉賢基教授近日接受中新社“東西問”獨(dú)家專訪，作出深度解讀。
視頻：【東西問】葉賢基：中國“天琴”如何與世界“共鳴”？來源：中國新聞網(wǎng)
現(xiàn)將訪談實錄摘要如下：
中新社記者：在引力波被地面引力波探測器探測到后，各國為什么還要在太空探測引力波？空間引力波天文臺探測到的引力波有什么不同？
葉賢基：根據(jù)愛因斯坦廣義相對論，萬有引力的本質(zhì)是時空的幾何，是質(zhì)量(能量)引起時空彎曲，彎曲的時空結(jié)構(gòu)使得質(zhì)量塊的運(yùn)動軌跡偏離平直的軌道。不變的質(zhì)量(能量)產(chǎn)生不變的時空結(jié)構(gòu)，這就是靜態(tài)的引力場。相反地，隨時間變化的質(zhì)量(能量)會產(chǎn)生時變的時空結(jié)構(gòu)，這種隨時間變化的時空結(jié)構(gòu)(也有稱“時空漣漪”)就是引力波。兩個黑洞互相繞著對方旋轉(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產(chǎn)生引力波，當(dāng)波動抵達(dá)地球時，將“扭曲”地球周圍的時空。
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)地球時已經(jīng)非常微弱，普通的科學(xué)儀器根本無法測量這種微弱的時空“扭曲”。
2015年9月，激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)科學(xué)合作組織首次探測到了來自兩個黑洞合并所產(chǎn)生的引力波信號，持續(xù)時間約200毫秒，振蕩頻率30—150赫茲。
但地面引力波探測器只能測到頻率10赫茲以上的引力波信號。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，只能探測致密雙星并合一瞬間所產(chǎn)生的引力波。想要探測到低頻段的引力波，激光干涉儀的臂長需要在幾十萬至幾百萬公里的量級，因此只能將這種超大型激光干涉儀放置于宇宙空間之中。
在引力波被探測到之前，人類收到的來自宇宙深處的無論是無線電波還是微波信號等，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宇宙，這些波攜帶了有關(guān)其起源的信息，從而使人們對宇宙有更清晰的認(rèn)識。
新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)會給人類社會帶來難以預(yù)估的影響，引力波探測，將可能帶動激光、材料、光學(xué)、航天工程等諸多學(xué)科前沿的發(fā)展；引力波探測的很多技術(shù)也將對先進(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)行空間引力波探測所需的星間激光干涉測量技術(shù)就可以被應(yīng)用于衛(wèi)星重力測量，以獲取精度更高的全球重力場模型等。
航拍中山大學(xué)天琴計劃激光測距臺站。陳楚紅 攝
中新社記者：和歐美的LISA相比，天琴計劃存在哪些方面的不同以及技術(shù)難點(diǎn)？
葉賢基：LISA和天琴計劃雖然都是空間引力波探測項目，探測的都是低頻段的引力波，但運(yùn)行軌道和探測頻段方面存在不同。LISA將在太陽軌道發(fā)射三顆衛(wèi)星組成等邊三角形編隊，其最靈敏探測頻段為1毫赫茲至0.1赫茲，探測器臂長為250萬公里，干涉儀測量精度達(dá)到10pm量級。
天琴計劃是在約10萬公里高的地球軌道上，部署3顆全同衛(wèi)星，構(gòu)成邊長約為17萬公里的等邊三角形編隊，建成空間引力波探測天文臺，開展空間基礎(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，干涉儀測量精度達(dá)到1pm量級。
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的觀測不僅可以互相驗證，同時也有互補(bǔ)的關(guān)系。利用天琴和LISA進(jìn)行聯(lián)合觀測，可以大幅提高引力波測量精度和對引力波源的定為精度。天琴-LISA聯(lián)合觀測的定為精準(zhǔn)度比單個探測器高且定為效率高，覆蓋天區(qū)范圍更廣闊。兩者優(yōu)勢互補(bǔ)、相互協(xié)作，將有望更精確測定引力波波源信息，為人類揭開更多宇宙奧秘。
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)星測定軌、入軌時間等方面具有固有優(yōu)勢。但是由于探測器臂長較短，這就要求天琴的激光干涉測量精度需求必須比LISA更加嚴(yán)苛，技術(shù)難度更大。
除了激光干涉測量技術(shù)之外，慣性傳感技術(shù)、無拖曳控制技術(shù)、超靜超穩(wěn)衛(wèi)星平臺技術(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)天琴計劃激光測距臺站。陳楚紅 攝
中新社記者：天琴計劃目前進(jìn)展到哪一步，取得了哪些成果？
葉賢基：天琴計劃有一個“0123”技術(shù)路線圖，其中第“0”步開展月球激光測距實驗，為天琴衛(wèi)星的高精度定軌提供技術(shù)支撐，第“1”步開展單星試驗，對高精度空間慣性基準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行在軌試驗驗證，第“2”步開展雙星試驗，對星間激光干涉測量技術(shù)進(jìn)行在軌試驗驗證，第“3”步發(fā)射天琴三星，進(jìn)行引力波的空間探測和長期科學(xué)值守。
目前，天琴計劃的前兩個階段任務(wù)已經(jīng)順利完成。2019年11月，位于珠海市鳳凰山頂?shù)奶烨儆媱澕す鉁y距臺站歷史性地測到了月面上全部五個反射器信號，使中國成為繼美國、法國后世界上第三個成功測得全部五個月球反射器的國家。這是天琴計劃的第“0”步，為10萬公里軌道衛(wèi)星的高精度測定軌提供了技術(shù)支撐。
葉賢基介紹中山大學(xué)天琴計劃激光測距臺站內(nèi)的1.2m激光測距望遠(yuǎn)鏡。陳楚紅 攝
2019年12月20日，天琴計劃的第“1”步“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星成功發(fā)射入軌，并開展了一年多的在軌測試�！疤烨僖惶枴崩迷谲壐咝阅軕T性基準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)建立了15階次地球重力場模型，這是中國首次使用國產(chǎn)自主衛(wèi)星測得全球重力場數(shù)據(jù)，使中國成為第三個有能力自主探測全球重力場的國家�！疤烨僖惶枴奔夹g(shù)試驗衛(wèi)星成果整體已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中高精度慣性測量、航天器無拖曳控制技術(shù)等在同等條件下處于國際領(lǐng)先水平。目前，天琴計劃的第“2”步“天琴二號”技術(shù)試驗衛(wèi)星項目正在順利推進(jìn)中，預(yù)計將于2025年底具備發(fā)射條件。
此外，有關(guān)天琴計劃第“3”步“天琴三號”引力波探測衛(wèi)星項目的研究也順利推進(jìn)，團(tuán)隊在任務(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原則上不會影響天琴的設(shè)計靈敏度、完成了天琴科學(xué)目標(biāo)的第一輪評估、針對天琴的所有主要引力波源開發(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“天琴計劃”。陳楚紅 攝
中新社記者：如今，天琴團(tuán)隊已經(jīng)吸引國內(nèi)20多個單位和8個國家和地區(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和研究帶來哪些有益影響？
葉賢基：天琴計劃由中國科學(xué)院院士羅俊教授領(lǐng)銜，合作團(tuán)隊來自包括中山大學(xué)、華中科技大學(xué)、航天東方紅衛(wèi)星有限公司、中國科學(xué)院云南天文臺、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，同時也不斷吸納國外一流團(tuán)隊加入天琴計劃研究工作，在物理學(xué)、天文學(xué)、宇航科學(xué)與技術(shù)等多個領(lǐng)域開展深入合作。天琴計劃已成為中方主導(dǎo)的有重要國際影響力的合作項目，不斷集聚全世界最優(yōu)秀的科學(xué)家朝著同一個目標(biāo)努力。
此外，國際上由歐美主導(dǎo)的空間引力波探測LISA項目雖然已經(jīng)推出很久，但也還有很多難點(diǎn)問題沒有完全解決。我們的研究跟他們在很多方面具備互補(bǔ)性，通過天琴計劃的開展，我們將能夠共同去攻克一些目前還沒解決的科學(xué)與技術(shù)難題，在引力波探測領(lǐng)域作出中國貢獻(xiàn)。(完)
受訪者簡介：
中山大學(xué)天琴計劃教育部重點(diǎn)實驗室副主任葉賢基接受中新社“東西問”獨(dú)家專訪。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)天琴計劃教育部重點(diǎn)實驗室副主任、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)入臺灣工業(yè)技術(shù)研究院量測技術(shù)發(fā)展中心工作，歷任研究員、“新質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”與“納米長度標(biāo)準(zhǔn)”項目負(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月通過中山大學(xué)百人計劃人才引進(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、基本物理量測量教育部重點(diǎn)實驗室主任。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：精密測量物理。目前研究工作集中在空間激光干涉測量技術(shù)的研究，研發(fā)用于衛(wèi)星重力場測量和空間引力波探測所需的高精度光學(xué)傳感技術(shù)和星間激光測距技術(shù)。