隨著美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）第一次“聆聽”到引力波，其探測成為科學(xué)界的熱點(diǎn)詞匯，世界多個(gè)國家都制定了各具特色的引力波探測計(jì)劃。其中，我國的天琴計(jì)劃因其獨(dú)特的技術(shù)方案被譽(yù)為引力波探測的“中國方案”而備受關(guān)注。

　　然而，天琴計(jì)劃近日以另一種方式再次引來熱議。由于采用了不同于目前西方歐美國家的方案，國內(nèi)一些專家對(duì)其科學(xué)性和有效性表示疑慮。甚至有專家對(duì)比歐洲的LISA計(jì)劃，對(duì)“天琴”方案能否順利實(shí)施提出質(zhì)疑。那么，美國和歐洲已有類似的探測計(jì)劃，為什么我們還要制定實(shí)施天琴計(jì)劃？相關(guān)專家提出的問題，又如何解決？科技日報(bào)記者帶著這些好奇和疑問，聯(lián)系到天琴計(jì)劃項(xiàng)目專家，探尋“天琴”的奧秘。

　　獨(dú)辟蹊徑的“中國方案”

　　學(xué)界普遍認(rèn)為，引力波的發(fā)現(xiàn)是物理學(xué)和天文學(xué)的一項(xiàng)重大突破。它開啟了人類探索宇宙的一扇大門，甚至可能揭開宇宙誕生早期的奧秘。

　　天琴計(jì)劃提出者、中國科學(xué)院院士羅俊說，引力波研究不僅是當(dāng)今物理學(xué)科的理論基礎(chǔ)、決定著前沿學(xué)科的發(fā)展方向，更對(duì)包括地震在內(nèi)的自然環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)資源勘測，以及導(dǎo)彈軌道設(shè)計(jì)、潛艇導(dǎo)航性能提升等國防軍工都具有重大意義。

　　天琴計(jì)劃的提出是在2014年3月的一次國際會(huì)議上，但是技術(shù)積累從上個(gè)世紀(jì)80年代就開始了。據(jù)介紹，天琴計(jì)劃的思路是向距地球10萬公里軌道上發(fā)射三顆衛(wèi)星，圍繞地球組建等邊三角形衛(wèi)星陣列，像在太空中架了一把豎琴，宇宙中的引力波傳過來，則會(huì)撥動(dòng)“琴弦”。通過激光測距等技術(shù)測得三顆衛(wèi)星的距離和位置變化，就能獲取該引力波數(shù)據(jù)，了解其背后的天文事件和天文過程。

　　LIGO是探測到引力波的第一個(gè)天文機(jī)構(gòu)。但LIGO是在地面上探測引力波。地面觀測儀器因臂長較短，只能接收到高頻引力波。“天琴”是將三顆衛(wèi)星放在太空里，星間距離可以足夠長，因此可以探測到低頻引力波，捕獲更豐富的物理、天文學(xué)過程。

　　目前，國際上與天琴計(jì)劃類似的空間引力波探測計(jì)劃主要是歐美主導(dǎo)的LISA計(jì)劃。二者都是發(fā)射三顆衛(wèi)星在空間組成大型激光干涉天線來探測引力波。其區(qū)別在于LISA運(yùn)行在太陽軌道周圍，天琴計(jì)劃則是地球軌道附近的探測計(jì)劃。兩種方案的核心技術(shù)基本相同，方案實(shí)施各有優(yōu)缺點(diǎn)。

　　國際頂尖專家也希望參與其中

　　對(duì)于天琴計(jì)劃的疑慮主要也因它運(yùn)行在地球軌道周圍而起。相關(guān)專家認(rèn)為，該運(yùn)行軌道可能使衛(wèi)星遭受過量的太陽輻射而受損，地球陰影的遮擋對(duì)儀器觀測的有效時(shí)間也有可能產(chǎn)生影響。面對(duì)這些疑慮，周澤兵教授說：“對(duì)于質(zhì)疑，我們都有考慮和解決方案。”

　　“天琴”由三顆衛(wèi)星構(gòu)成，當(dāng)?shù)厍?、月球、水星或金星等天體運(yùn)行到“天琴”的某一顆衛(wèi)星和太陽之間時(shí)，就會(huì)對(duì)照射到衛(wèi)星上的太陽光造成遮擋，形成太陽陰影問題。周澤兵說，這些遮擋可以是完全遮擋，這時(shí)衛(wèi)星表面溫度會(huì)發(fā)生顯著變化，但也可能是很小一部分的遮擋，這時(shí)將不會(huì)對(duì)衛(wèi)星溫度有明顯的影響。為保證儀器設(shè)備安全，在可能發(fā)生遮擋的所有時(shí)刻，可令“天琴”停止科學(xué)數(shù)據(jù)采集工作。

　　“通過多次模擬，我們發(fā)現(xiàn)‘天琴’在跨越5年的科學(xué)探測期內(nèi)會(huì)碰到7—9次的遮擋事件，每次持續(xù)的時(shí)間都不超過1小時(shí)，其中多數(shù)為部分遮擋。”周澤兵說，由于發(fā)生遮擋的次數(shù)有限且每次持續(xù)的時(shí)間都很短，在任務(wù)運(yùn)行期間需要留心這些遮擋對(duì)儀器設(shè)備安全產(chǎn)生影響，但它們不會(huì)對(duì)“天琴”預(yù)期的科學(xué)成果產(chǎn)生顯著影響。

　　軌道運(yùn)動(dòng)引起溫度變化，衛(wèi)星內(nèi)部的溫度穩(wěn)定性也是“天琴”的一大難題。

　　周澤兵說，引力波探測衛(wèi)星的部分表面會(huì)貼上太陽能電池板為衛(wèi)星供電。通過合理設(shè)計(jì)任務(wù)方案、衛(wèi)星熱控、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，可使太陽能電池板成為衛(wèi)星在整個(gè)空間引力波探測過程中唯一能直接被太陽光照射的部位。通過隔空安裝太陽能電池板的方式，能做好太陽能電池板和衛(wèi)星主體間的隔熱問題，保證衛(wèi)星內(nèi)部的溫度穩(wěn)定性。“雖然最終方案需要進(jìn)一步研究，但相信我國航天工程人員有充分智慧可以解決這一問題。”周澤兵說。

　　“天琴計(jì)劃”體系龐大，要15—20年的研究時(shí)間。國內(nèi)已有十多個(gè)大學(xué)和研究院所參與了天琴計(jì)劃的工作，但仍有許多工程技術(shù)難題有待攻克。羅俊說，德國、意大利、法國的頂尖教授也希望能參與其中。

　　“我們很有可能走在他們前面”

　　由于遠(yuǎn)離地球，LISA三顆衛(wèi)星發(fā)射運(yùn)載要求高，衛(wèi)星從發(fā)射到入軌需要經(jīng)歷1年多的時(shí)間，軌道轉(zhuǎn)移方案復(fù)雜，屬于“長途跋涉”，給儀器的壽命和可靠性帶來一定的壓力；其次，為了保持衛(wèi)星編隊(duì)平面與太陽光照射的夾角恒定（60度），需要不斷對(duì)每顆衛(wèi)星的指向進(jìn)行調(diào)整，因此不可避免帶來擾動(dòng)因素。

　　周澤兵介紹，“天琴”衛(wèi)星從發(fā)射到入軌預(yù)期相對(duì)時(shí)間較短，對(duì)我國而言，目前該技術(shù)相對(duì)成熟；由于“天琴”激光干涉臂比LISA短，“天琴”在高頻端的探測靈敏度要優(yōu)于LISA，這對(duì)于研究中等質(zhì)量黑洞、以及聯(lián)合地面探測實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多波段引力波研究都非常重要。

　　今年年初，“天琴”團(tuán)隊(duì)與相關(guān)研究機(jī)構(gòu)首次在國內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)月（球）—地（球）激光測距，從而為高軌衛(wèi)星精密定軌技術(shù)奠下基礎(chǔ)，這意味著中國的空間引力波探測計(jì)劃“天琴”成功邁出了實(shí)質(zhì)性的第一步。

　　目前，多項(xiàng)核心技術(shù)已經(jīng)攻關(guān)且得到驗(yàn)證，比如空間慣性傳感器已經(jīng)研制成功，且經(jīng)過了兩次空間搭載驗(yàn)證。

　　這是世界上的“科學(xué)無人區(qū)”。“天琴”一直都在邊建設(shè)邊積累，已經(jīng)做了20多年的技術(shù)儲(chǔ)備。正因有幾十年的積淀，在談到歐洲類似的空間引力波探測項(xiàng)目LISA將于2034年升空時(shí)，羅俊說：“我們很有可能會(huì)走在他們前面。”