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2016年2月11日，高新激光干涉仪引力波天文台（aLIGO）宣布探测到引力波，开启了引力波天文学和引力波物理学时代，吸引了全世界的天文学家和物理学家聚焦于这一全新的领域。与光学望远镜可分为地基望远镜和太空望远镜一样，对引力波的观测也可分别在地球和宇宙空间进行。我国已计划开展多波段的引力波观测，其中最激动人心的当属在太空观测引力波的“空间太极计划”。为了一窥这一宏伟计划的究竟，本刊记者孙天任访问了空间太极计划的首席科学家胡文瑞院士和吴岳良院士。

图1. 胡文瑞院士与吴岳良院士

科学世界：为什么我们需要到宇宙空间观测引力波？

吴岳良：因为对于不同的天体而言，产生的引力波的波长不一样，观测的方法也就不一样。天体在加速旋转运动中产生引力波，这个旋转就会有一个频率。所产生的对应频率的引力波向外传播，就像光波一样（波速=波长×频率，对于光波和引力波来说，两者的波速都是光速）。

地面上观测的引力波都是高频的，频率在10赫兹以上，比如这次aLIGO观测到的是35～150赫兹左右。在空间观测的引力波主要是低频的，1赫兹以下到0.1毫赫兹，这样它的波长就非常长。简单而言，天体越大，旋转起来越慢，产生的引力波波长就越长。aLIGO观测的是小黑洞（恒星级黑洞），空间观测的将是星系中心的超大质量黑洞和中等质量黑洞。

科学世界：为什么在地面上不能观测低频引力波？

胡文瑞：因为设备限制。美国的aLIGO基线最长，是4千米。欧洲的室女座引力波探测器（Virgo）是3千米。太极计划卫星间的距离是300万千米，量级就不一样。引力波产生的空间应变（strain），等于ΔL（空间变形）除以L（空间尺度），L越大，ΔL也就越大，那就越容易被观测到。空间中的几百万千米和地面上的几千米，放大效果相差了百万倍。

另外，地球上有重力梯度噪声，也就是说地球质量的分布是不均匀的，这也会对引力波的探测产生干扰。而且我们无法确认质量的准确分布情况，也就难以扣除这一干扰。所以地面引力波天文台测量的范围难以低于10赫兹，10赫兹以下就会受到地球本身的重力梯度的影响。 

科学世界：就是说空间引力波观测的目标与地面观测不同？

吴岳良：是的，产生不同频率引力波的天体源不一样，形成这些天体的宇宙学机制也不一样。在地面上探测到的，基本都是恒星在并合、坍缩最后时刻的个别事件，时间很短。然而空间探测的引力波事件，是反映宇宙演化形成过程中黑洞是怎样成长为更大质量黑洞，这是完全不一样的。空间探测能够真正去了解宇宙的演化，可以看到长时间的致密星体相互绕转的状态。   

科学世界：现在全世界正在开展的空间引力波探测的空间项目有哪些？

胡文瑞：现在主要就是欧洲空间局的激光干涉空间天线（LISA），它从1993年开始立项，美国曾于1997年计划参加，又于2011年退出。由于经费问题，现在准备实施的是LISA的简化版，称为eLISA（evolved LISA），由一颗主星发出两道激光，两颗从星安置反射镜来构成迈克尔逊干涉仪，计划于2034年左右发射。美国计划中的大爆炸观测者（Big Bang Observer，BBO）和日本计划中的分赫兹干涉引力波天文台（DECIGO）目前都在暂停中。此外就是我们的空间太极计划。

科学世界：空间太极计划的具体规划是怎么样的？

胡文瑞：我们从2008年开始对这一计划开展论证。美国退出LISA计划后的2012年，欧洲空间局的科学家提出来跟中国合作。所以科学院成立了工作组，由我们两个人负责这件事情。正式命名是去年2015年。主要是因为太极就是元初、起源的意思，再加上太极图的两个阴阳鱼，就像是正在旋近放出引力波的双星系统，很形象。按计划我们将在2033年左右发射与eLISA原理类似的3颗卫星，组成引力波探测星组，与eLISA相互验证。如果做成了，对中国的理论物理研究和空间试验技术是一个非常大的提高。

科学世界：这三颗星预设的轨道是在什么地方？预定的任务周期是多久呢？

胡文瑞：计划布置在地球的公转轨道上，eLISA在地球后20°，我们可放置在地球前20°左右。

吴岳良：如果放置在与地球-太阳方向成60°夹角的拉格朗日点上，它受太阳和地球的引力是稳定平衡的，放上就不会飘了。但那个点太远了，要耗费大量的燃料和时间。我们的卫星必须短时间到达位置，然后还要相对稳定，不太受其他星体的引力干扰。所以选择在20°左右。

胡文瑞：我们国家的航天技术中，火箭是非常强的，如果用我国的长征5号，发射到近地轨道转移到太阳轨道，都没有问题。按照eLISA的计划，整个任务的周期是2年，因为需要排除引力外其他因素的干扰，需要携带足够的燃料。

科学世界：太极计划相比于eLISA计划有什么不同？

胡文瑞：我们的望远镜口径大（0.5米:0.2米），基线长（300万千米:100万千米），所以我们在中频阶段比它的分辨率高，探测的范围可达10^-4～1赫兹，频率范围覆盖了eLISA的低频(10^-4～10^-1赫兹)和DECIGO计划的中频(10^-2～1赫兹)。这样的话，我们有可能可以测量原初引力波。

图2. LISA探路者卫星的核心部分，可见两个检验立方体和其间的干涉光路

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）