隨著美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）第一次“聆聽”到引力波，其探測成為科學界的熱點詞匯，世界多個國家都制定了各具特色的引力波探測計劃。其中，我國的天琴計劃因其獨特的技術方案被譽為引力波探測的“中國方案”而備受關注。

　　然而，天琴計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)一些專家對其科學性和有效性表示疑慮。甚至有專家對比歐洲的LISA計劃，對“天琴”方案能否順利實施提出質(zhì)疑。那么，美國和歐洲已有類似的探測計劃，為什么我們還要制定實施天琴計劃？相關專家提出的問題，又如何解決？科技日報記者帶著這些好奇和疑問，聯(lián)系到天琴計劃項目專家，探尋“天琴”的奧秘。

　　獨辟蹊徑的“中國方案”

　　學界普遍認為，引力波的發(fā)現(xiàn)是物理學和天文學的一項重大突破。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。

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

　　天琴計劃的提出是在2014年3月的一次國際會議上，但是技術積累從上個世紀80年代就開始了。據(jù)介紹，天琴計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，則會撥動“琴弦”。通過激光測距等技術測得三顆衛(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天文機構。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、天文學過程。

　　目前，國際上與天琴計劃類似的空間引力波探測計劃主要是歐美主導的LISA計劃。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運行在太陽軌道周圍，天琴計劃則是地球軌道附近的探測計劃。兩種方案的核心技術基本相同，方案實施各有優(yōu)缺點。

　　國際頂尖專家也希望參與其中

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

　　“天琴”由三顆衛(wèi)星構成，當?shù)厍?、月球、水星或金星等天體運行到“天琴”的某一顆衛(wèi)星和太陽之間時，就會對照射到衛(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，這時衛(wèi)星表面溫度會發(fā)生顯著變化，但也可能是很小一部分的遮擋，這時將不會對衛(wèi)星溫度有明顯的影響。為保證儀器設備安全，在可能發(fā)生遮擋的所有時刻，可令“天琴”停止科學數(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年的科學探測期內(nèi)會碰到7—9次的遮擋事件，每次持續(xù)的時間都不超過1小時，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)的時間都很短，在任務運行期間需要留心這些遮擋對儀器設備安全產(chǎn)生影響，但它們不會對“天琴”預期的科學成果產(chǎn)生顯著影響。

　　軌道運動引起溫度變化，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)星的部分表面會貼上太陽能電池板為衛(wèi)星供電。通過合理設計任務方案、衛(wèi)星熱控、衛(wèi)星結構，可使太陽能電池板成為衛(wèi)星在整個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。

　　“天琴計劃”體系龐大，要15—20年的研究時間。國內(nèi)已有十多個大學和研究院所參與了天琴計劃的工作，但仍有許多工程技術難題有待攻克。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”

　　由于遠離地球，LISA三顆衛(wèi)星發(fā)射運載要求高，衛(wèi)星從發(fā)射到入軌需要經(jīng)歷1年多的時間，軌道轉移方案復雜，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)星編隊平面與太陽光照射的夾角恒定（60度），需要不斷對每顆衛(wèi)星的指向進行調(diào)整，因此不可避免帶來擾動因素。

　　周澤兵介紹，“天琴”衛(wèi)星從發(fā)射到入軌預期相對時間較短，對我國而言，目前該技術相對成熟；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，這對于研究中等質(zhì)量黑洞、以及聯(lián)合地面探測實驗進行多波段引力波研究都非常重要。

　　今年年初，“天琴”團隊與相關研究機構首次在國內(nèi)成功實現(xiàn)月（球）—地（球）激光測距，從而為高軌衛(wèi)星精密定軌技術奠下基礎，這意味著中國的空間引力波探測計劃“天琴”成功邁出了實質(zhì)性的第一步。

　　目前，多項核心技術已經(jīng)攻關且得到驗證，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證。

　　這是世界上的“科學無人區(qū)”。“天琴”一直都在邊建設邊積累，已經(jīng)做了20多年的技術儲備。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目LISA將于2034年升空時，羅俊說：“我們很有可能會走在他們前面。”