天琴计划

2015年在中山大学发起的科研计划

“天琴计划”是中国科学院罗俊院士2014年3月在华中科技大学的一次国际会议中提出，2015年7月在中山大学发起的一个科研计划，中山大学和华中科技大学正在组建研究小组开展我国空间引力波探测计划任务的预先研究，制定我国空间引力波探测计划的实施方案和路线图，提出“天琴”空间引力波探测计划。

启动背景

引力波是加速中的质量在时空中所产生的波动，也被比喻为时空的“涟漪”。

根据爱因斯坦的相对论，宇宙中巨大的天体运动会让时空发生扭曲并像波浪一样传播，这就是引力波。2016年，多国科学家首次探测到了引力波。

2018年4月，中国的引力波探测计划在积极实施，引力波探测“天琴”计划的关键人物是罗俊院士。在湖北武汉，华中科技大学的喻家山底下的防空洞里，罗俊院士和他的团队正在研发引力波探测装置。

计划概况

中山大学珠海校区将建设“天琴计划”所需的地面研究基础设施，并以此为基地开展面向国家重大需求和科学基础前沿的国家大科学工程项目。其中山洞超静实验室和激光测距地面台站基础设施建设已经启动，部分关键技术研究也已经有具体进展。天琴计划的推动将使中山大学将成为国际上引力波探测与空间精密测量领域的学术研究重镇之一，并成为推动后续一系列空间精密测量物理实验的研究基地。

据介绍，“天琴计划”实验本身将由三颗全同卫星(SC1，SC2，SC3)组成一个等边三角形阵列，通过惯性传感器、激光干涉测距等系列核心技术，“感知”来自宇宙的引力波信号，探索宇宙的秘密。三颗星，形似太空里架起的一把竖琴，可聆听宇宙深处引力波的“声音”，这是中国科学家提出的空间引力波探测“天琴计划”。卫星本身作高精度无拖曳控制以抑制太阳风、太阳光压等外部干扰，卫星之间以激光精确测量由引力波造成的距离变化。“天琴”的重要探测对象是一个周期仅有5.4分钟的超紧凑双白矮星系统RXJ0806.3+1527产生的引力波。

“天琴”首先要求三颗卫星非常精确地进入一个预先选定的轨道。为了稳步实现目标，根据每项任务需要的卫星数目，制定了“0123”计划路线图，天琴计划将首先发展月球和深空卫星激光测距技术，帮助实现对天琴卫星毫米级的定轨精度；并进行空间等效原理检验实验、下一代重力卫星实验等，最终进行天琴空间引力波探测实验：探测引力波。

2020年5月，全国人大代表、我国空间引力波探测天琴计划首席科学家罗俊院士透露，“天琴二号”项目建议书已于春节前交给上级有关部门，各项工作正在稳步推进，关键技术取得突破，部分技术已经成熟，并在“天琴一号”上经过检验。“天琴二号”计划在2025年前后发射。

重要特征

与美国的LIGO（激光干涉引力波天文台）相比，天琴计划引力波探测会有光学辅助手段，此外，与LIGO探测到的短时间的爆发型引力波不同，天琴探测的低频段的连续型引力波，可以持续验证。

“天琴计划”不仅仅是基础研究，‘天琴计划’发展起来的关键技术可用于很多领域，如精确测量地球重力场，使人类更加深刻地了解地球、水资源和矿产资源的分布和变化。又如精确测量距离，大到两颗卫星之间的距离，小到一个原子尺度的变化，都可以精确测算出来。

实施阶段

“天琴计划”主要将分四阶段实施：第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等天琴计划地面辅助设施；第二阶段完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证，以及空间等效原理实验检验；第三阶段完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证，以及全球重力场测量；第四阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术，发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。

完成全部四个子计划，大约需要二十年的时间，投资大约150亿元人民币。

国际合作

“天琴计划”将成为中方牵头的国际合作项目。2016年，除了来自中国多所高校、研究机构之外，LISA计划课题组的几位核心成员非常愿意开展合作，来自德国、意大利、法国的顶尖教授也希望成为合作者或者顾问，俄罗斯莫斯科大学几位教授已经参与进来。

重大进展

2018年9月27日，在广州召开的香山科学会议第S45次学术讨论会传来了关于“天琴计划”的最新消息。“天琴计划”多项关键技术已获得重大进展，其中包括惯性传感、激光干涉测距、无拖曳控制、卫星平台等多项重大技术，接下来这些技术将陆续进入在轨验证阶段。

无拖曳控制技术是空间引力波探测计划实现的关键技术之一，简而言之就是要让卫星中搭载的检验质量“摆脱”外部环境的各种干扰，让检验质量自由而无阻地漂移。华中科技大学物理学院教授周泽兵介绍，“天琴”无拖曳控制技术在实验室已经取得突破，正在按照研究计划向前推进。

“天琴计划”和欧洲LISA计划是世界上少数基于成熟设计和方案的空间引力波探测计划，两个计划都在争分夺秒向前推动。两个计划的主要区别在于其设计轨道一个绕地球、一个绕太阳，以及探测波段稍有不同。“如果从探测波段来讲‘天琴计划’的探测波段比LISA大约高10倍，两组引力波探测器可形成互补。”中山大学天琴中心教授叶贤基说。

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