中国计划建边长300万公里引力波天文台！迈向世界先进，有何意义

前几年引力波着实火了一阵，最起码有两次事件形成了全社会的影响。第一次是2016年2月，美国和欧洲的两个引力波观察天文台，LIGO和VIRGO，联合宣布，2015年9月14日检测到了引力波信号，源自两个黑洞合并。第二次是2017年搞引力波探测的三个人获得了诺贝尔奖，其中基普·索恩是继卡尔·萨根、史蒂芬·霍金之后，或许是唯一一位在世的，拥有广泛社会影响力的天体物理学家。大名鼎鼎的《星际穿越》就是他的手笔。

2017年的三名诺贝尔物理学奖获奖人

自从2016年首次宣布之后，光被确认的由双星合并引起的引力波事件就已经有二十余起；还有更多的疑似引力波事件，由于信号强度等原因不能被完全确认。随着越来越多的引力波事件被报导，公众对引力波的兴趣那是。。。越来越不关心了。毕竟引力波事件多了之后，也有审美疲劳。那么这几年来，研究引力波的天体物理学家都在忙啥呢？中国在这方面发展得怎么样？尤其是公众可能最关心的：研究这玩意到底有啥用？让我们在这篇文章中聊聊这些话题。

干涉仪基本结构

引力波被证实存在之后，兴起了引力波天文学，这里面的核心是搭建引力波天文台。毕竟观测能力的高低，本质上来说是受到硬件设备的限制。引力波天文台的核心设备是迈克耳孙干涉仪。原理就不细说了，只知道一点就行了：影响干涉仪的性能最重要因素之一是干涉臂的长度，越长越好。美国的LIGO的干涉臂长度为4千米，欧洲的VIRGO长度为３千米。你听到这个数字就知道了，建这玩意便宜不了。

位于美国华盛顿州汉福德LIGO，注意两个4公里长的干涉臂

这两年天文学家们除了升级现有设备以及继续观测之外，还在憋大招。所谓的“大招”其实也很简单，就是建设新的引力波天文台。工欲善其事必先利其器，没更好地观测设备，怎么能大幅提升观察质量呢？

爱因斯坦望远镜

欧洲计划建设爱因斯坦望远镜（简称ET）。为了降低噪声，干涉臂被埋在地下800米深的地方。呈等边三角形的三个干涉臂，每边长度达到了10千米。在顶点放两个干涉仪，总计六个。整个天文台造价估计高达19亿欧元。

宇宙探索者

美国的宇宙探索者（简称CE）天文台更加雄心勃勃。要把LIGO的L型方案延长10倍，变成每个臂长40千米。据说建成之后，能探测450亿光年之外，宇宙刚刚形成时发生的黑洞合并事件。怎么样，听起来是否让你感觉。。。毛骨悚然？不像爱因斯坦望远镜，已经被欧洲列入建设路线图，宇宙探索者只是计划而已，能否开建还是一个疑问。

太空引力波天文台概念图

在地球上建引力波天文台有非常多的限制，想要增加干涉臂尺寸很困难。就算挖超长距离的隧道，在盾构机之类的帮助下不再费劲，隧道长度也要受到地球大小的限制。因此，把引力波天文台搬入太空，成了后续发展的必然。

LISA概念图

正因为如此，美国和欧洲联合提出了LISA引力波天文台的概念，就把激光发射器和干涉仪搬入太空。在太空中激光几乎没有衰减，可以实现很长的干涉距离。LISA包含三个太空平台，形成边长500万公里的等边三角形。换而言之，干涉臂不再是10公里，不再是40公里，直接达到了500万公里。就问你给力不给力？

LISA概念图

LISA将采用的是与地球相同的日心轨道，并且LISA与太阳的连线，和地球与太阳的连线之间的夹角为20 ，这种设计是为了尽可能减少地球引力造成的影响。

LISA的运动轨迹

LISA将能在五百万千米的长度上探测到10皮米（1皮米等于10的负12次方米）量级的距离变化。LISA不仅精度高，而且由于干涉臂长且不受地球震动的影响，能够探测到比LIGO低得多的波段范围内的引力波。LISA目前仍处于设计阶段，预计在2034年投入使用。

LISA将拥有空前的精度和探测频段范围

现在除了美国和欧洲之外，日本和印度也在搞引力波天文台。日本的KAGRA首开将干涉臂深埋的先河。印度则是直接用美国LIGO的设备进行建设。

日本的KAGRA

既然日本、印度这样的二流甚至以下国家都跟进引力波研究了，中国能不做点什么吗？中国不仅在做，而且规划还很庞大。不仅有地面项目，还有太空项目。中国的地面引力波项目叫做“阿里计划”，与美国科学家合作，在西藏阿里地区进行建设，预计2022年投入观测。

天琴计划

中国更有雄心勃勃的太空计划，而且不是一个，而是两个，名为“天琴计划”和“太极计划”。天琴计划是以地球为中心建等边三角形,，卫星距离地面约10万公里，而三角形边长则为17万公里。

天琴一号

2019年12月20日，天琴一号试验卫星发射升空，为天琴计划做技术验证，并获得了圆满成功。预计在2025年前，天琴计划将开始实施，并在2025到2030年间完成建设。一旦建成，天琴将成为世界上第一个太空引力波天文台。

太极计划

至于太极计划，其实是LISA的中国版，唯一的区别是三角形边长300万千米，比LISA的500万低。当然，太极计划还没有正式实施。未来是否会把边长增加到500万公里甚至更多，尚不得而知。

太极一号

2019年8月31日，太极计划的试验卫星，太极一号发射升空，测试圆满成功。整个太极计划预计2030年代实施，很可能与LISA同步上线。

计划中的世界三大太空引力波天文台

因此，世界上目前有三大太空引力波天文台将在未来十到十五年内实施，分别是美欧的LISA和中国的天琴及太极。日本虽然有个DECIGO，但目前只是个构想，尚未确定是否实施，因此还不能算数。

太空引力波天文台

可以预期，伴随着太空引力波天文台的建设完成，人类对宇宙的认识又将提升一大步。比如说，人们期望LISA能探测大爆炸早期宇宙的原初引力波。我们都知道宇宙微波背景辐射是宇宙最早发出的光，在宇宙大爆炸38万年之后才出现。原初引力波是宇宙大爆炸10-35秒（10的负35次方秒）后的暴胀阶段被释放出来的，并在宇宙中自由传播。

宇宙引力波背景与大爆炸之间的关系

由于观测灵敏度的限制，原初引力波，或者叫宇宙引力波背景辐射。从未被探测到过。随着未来LISA等太空引力波天文台的上线，或许可以让我们一窥宇宙最早期的状态，从而大大加深我们对宇宙起源的认识。比如，宇宙暴胀阶段到底有没有发生过，宇宙大爆炸是不是发生了很多次？没错，有人认为我们的宇宙是循环的，因而发生过多次宇宙大爆炸。这些玄妙的问题说不定能从宇宙引力波背景辐射中找到答案。

引力波能帮助我们了解宇宙大爆炸刚发生时的情况

这种大型科研项目，从科研的角度来说，成果很可能是诺贝尔奖级别的。据说天琴计划的预算是150亿人民币，太极计划预算未知。如果做了百亿投资收获了诺贝尔奖，这就不亏了。另外，从产业角度来说，这样的大项目有很大的拉动意义，能极大地促进精密制造的发展。带动产业进步。

未来的太空引力波探测计划

不过，那些花费不菲的前沿科研项目，对许许多多普通人来说，又有什么意义呢？比如说，地球上很多人还没有脱贫、甚至还在挨饿，就不能把钱用在解决这些人的生活所需上面吗？贫穷已经限制了我们的想象力，宇宙大爆炸与我何干？

马斯克近照

其实，就算这钱不花在科研上，也解决不了世界的贫穷与饥饿问题。就好比联合国说，60亿美元就能解决世界饥饿问题。于是马斯克就回复说：你要是能证明这一点，我就捐。贫穷与饥饿的发生，是很复杂的事情。从短期来看，并不是花几个钱就能解决的；从长期来看，在科研与技术方面的投资，才是最终解决贫穷与饥饿的正确途径。