交大要闻

新基地,新成果

上海市引力波探测前沿科学研究基地在《自然-天文》刊文介绍中国引力波计划

北京时间9月16日,在新一期天文学领域最具国际权威之一的学术期刊《自然-天文》(Nature Astronomy)上发表了由上海市引力波探测前沿科学研究基地与中山大学天琴中心、华中科技大学粒子与天文物理研究所等单位关于中国引力波计划的文章。

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图1:《自然-天文》期刊发布文章

该文第一次在国际最顶尖学术刊物完整、系统地介绍中国引力波研究发展的历史、投入、规划及进展;同时,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;不仅如此,在引起国际社会广泛关注的同时,也提供了让更多感兴趣的学者学习、甚至未来参与中国引力波探测计划合作的机会。该文由上海交大王斌教授与中科院院士、中山大学校长罗俊院士以及华中科技大学龚云贵教授共同完成,上海市引力波探测前沿科学研究基地与上海交通大学航空航天学院为共同通迅单位。

引力波探测是全球基础研究的热点之一,科技部于2020年立项了“引力波探测”重点专项,要面向引力波研究发展前沿,围绕引力波探测研究的重大科学问题和瓶颈技术,提升我国引力波探测研究的创新能力。上海市教委启动“十四五”期间上海市前沿科学研究基地建设,引力波探测前沿科学研究基地是上海市教委支持的首批前沿科学研究基地。基地由上海交大航空航天学院牵头,联合物理与天文学院、电子信息与电气工程学院、机械与动力工程学院组建而成,瞄准世界上最基础最前沿科学问题,紧密围绕国家引力波探测重大科学战略,确立学科交叉汇聚的发展思想,按照“共建、共享、共生”的原则,通过学科交叉汇聚的“溢出效应”和“增量效应”,服务国家科研战略,推动引力波物理创新研究。本次在国际顶级学术刊物发表学术成果,展示了基地的研究实力,基地将通过跨学科紧密协同产出更多高质量创新成果,服务国家重大战略,不断攀登科研高峰。 

引力波探测背景简介

引力波是时空的涟漪,她能告诉我们关于宇宙起源、演化和时空结构的信息。100多年前爱因斯坦广义相对论就已经预言了她的存在,但是人类花了大量人力物力都未能揭开她的神秘面纱。2016年2月11日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布在2015年9月14日人类首次直接探测到了引力波。这是21世纪物理学最重大的发现,它宣告了引力波天文学时代的到来。次年2017年这一发现获得诺贝尔物理学奖。

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各国空间引力波探测计划轨道分布示意图

到目前为止,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。日本的KAGRA已经加入了引力波地面观测网站,印度(LIGO-India)也正在建造新的地面引力波探测器。同时,美国、欧洲及日本在计划建造下一代(第三代)地面(如欧洲的Einstein Telescope及美国的Super-LIGO)。但是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。如果我们要利用引力波更加深入了解天文学领域,我们就必须进入太空。太空引力波探测器计划目前包括欧美联合的LISA及日本的DECIGO。国际上发达国家在这一重要领域的竞争已经到了白热化程度。 

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不同源的噪声曲线

中国对空间引力波探测的投入力度大,前瞻性研究进展迅猛,得到了国际科学界的关注。中国科学家独立提出了“天琴”与“太极”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、最基本的科学研究竞争队列。中国引力波探测天琴计划、太极计划以及欧美的LISA计划是目前较为成熟的探测低频引力波的太空探测三大计划,本世纪三十年代这三个计划都将开始执行,到时不仅是这三个空间引力波探测计划各显神通,互比高低,更重要的科学意义在于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。

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