“引力波探测”首席科学家罗子人

追逐科学之光，聆听宇宙乐章

2022-02-16 15:25 来源：澎湃新闻

2016年2月11日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布探测到引力波，远在13亿光年之外的两个黑洞相撞产生的“巨响”从此刻开始传遍整个地球。听到“巨响”后，我国迅速做出反应，启动了“引力波探测”重点专项，致力于进一步揭示宇宙之谜。

前不久，“引力波探测”重点专项第一期任务“星间激光干涉测量系统分析与设计”项目启动会在北京召开，中国科学院力学研究所研究员罗子人担任该项目的首席科学家。罗子人从2007年，开始从事引力波探测及空间激光精密测量的研究，参与了我国空间引力波探测及先进重力卫星计划的预备研究，为我国引力波探测事业发展奉献了自己的青春和汗水，作出了不可替代的贡献。

宇宙像一个无限延伸的球，人类对宇宙的探测走得越远，遇到的问题越多。对此，罗子人希望自己可以做出更多的成果，为中国引力波探测事业发展加薪助燃，使人类可以管窥更多宇宙的浩渺和神秘。

投身“太极计划”，捕捉时空涟漪

引力波是一种“时空涟漪”，就像是一块石头被丢进平静的湖里而产生的波纹。它最初只是阿尔伯特·爱因斯坦的一个理论构想，来源于方程式的推导，而非真实的实验观察。爱因斯坦在他的广义相对论中预言了引力波的存在，他认为某些质量非常大、速度变化又非常快的物体，会对周围时空结构产生扰动，引力波就是时空扰动向外传递的微小涟漪。这种涟漪有多微小呢？爱因斯坦说，引力波小到永远无法被观测到。

起初，“引力波是否能被探测到”一度是一个有争议的问题。为了寻找引力波，一众科学家做了各式各样的尝试，直到1974年脉冲双星PSR B1913+16的发现才间接证明了引力波是存在的。接下来就是直接探测引力波，20世纪80年代，立足于物理学家雷纳·韦斯提出的“利用激光干涉仪来探测引力波”想法，美国启动了激光干涉引力波天文台（LIGO）计划，致力于建设世界上最大的引力波探测仪。2002年，LIGO搭建完成并开始了对引力波的探测。

2016年2月11日，LIGO宣布他们在2015年9月14日观测到了来自两个黑洞并合时释放的引力波，并推测出两个黑洞的质量分别为36及29个太阳质量，并合后的质量为62个太阳质量（缺失的3个太阳质量以引力波的能量辐射出来），距离我们约13.4亿光年。至此，人类历史上第一次直接观测到了引力波。

我国科学家从2008年开始启动中国空间引力波探测计划的研究，由中国科学院牵头组织全国优势力量成立论证组，胡文瑞院士为第一任组长；2012年，中国科学院牵头成立了我国空间引力波探测工作组，由吴岳良院士担任组长，并首次提出了基于日心轨道方案的中国空间引力波探测计划，此计划于2016年被命名为“太极计划”，吴岳良院士为首席科学家，胡文瑞院士为首席顾问。

“太极计划”将打开中低频段（0.1mHz～1Hz）的引力波观测窗口，为人类研究宇宙起源与演化、黑洞起源与演化、引力本质、暗能量和暗物质等提供全新的方法和手段。由于空间引力波探测涉及一系列关键技术，“太极计划”提出了“单星”“双星”和“三星”三步走的发展路线图。罗子人就是“单星”任务——“太极一号”核心测量分系统的主任设计师。

通过罗子人介绍，记者得知“太极一号”的任务主要是验证空间引力波探测技术路线的可行性。不同于地面探测，在太空中，人类能探测到中低频段的引力波信号，能够发现天体质量更大、距离更遥远的引力波波源，揭示更为丰富的天体物理过程。

然而，由于引力波信号极其微弱，实施空间引力波探测挑战巨大，需要突破目前人类精密测量和控制技术的极限。所涉及的核心技术包括高精度星间激光干涉系统、引力参考传感器、超高精度无拖曳控制、微牛级推进器、超稳超静卫星系统等。“太极一号”卫星正是瞄准了这一重大科技前沿，对这些核心技术的可行性和实现途径进行在轨验证。

“太极计划的关键技术很重要，但发展这些关键技术的技术路线也很重要。如果技术路线走得不对，那对整个研究计划会产生重大影响。”罗子人所在团队只用了不到一年的时间就完成了“太极一号”的研制工作，因为时间紧、任务重，整个团队的压力很大。为了尽快完成任务，团队甚至提出了24小时排班的工作想法，但这一想法被同在中国科学院力学研究所的靳刚研究员否掉了。

罗子人回忆道：“靳刚老师很严厉地说：‘你们这种方式是不对的，虽然你们这种冲劲很值得鼓励，但越是这种紧要关头，越要保持清醒的头脑。如果因为疲劳而发生什么闪失，得不偿失。’他就强硬要求我们晚上必须几点下班去休息，然后早上可以早点来。一开始大家对这种工作模式也有争论，后来就定下来了，而且结果也是非常让人满意的。”

2019年8月31日，“太极一号”成功发射，并圆满完成了第一阶段的在轨测试。为了让这颗卫星发挥更大的价值，罗子人团队在卫星上搭载了质量激光干涉仪和引力参考传感器两个核心系统，实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量。此外，他们还在该卫星上成功进行了我国首次在轨无拖曳控制技术试验，并在国际上首次实现了微牛级射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证。可以说，“太极一号”从零到一的突破，验证了我国空间引力波探测“太极计划”技术路线的可行性。同时，“太极一号”圆满完成在轨测试也标志着“太极计划”三步走中第1步任务目标已成功实现，并转入拓展实验阶段。

“以前，我们总是听到一些声音：中国在引力波探测研究方面是不是和国外差距很大？毕竟人家在20世纪80年代就开始做了，咱们才刚刚起步，这种差距怎么能追上？但是，‘太极一号’发射成功以后，这些声音渐渐消失了。因为大家发现，中国与国外的差距其实并没有想象中那么大，中国有中国的优势。咱们国家只要决定做一件事情，可以集中全国的优势力量去达到目标。”罗子人说道。

对技术路线可行性验证通过后，罗子人及其同伴将进一步开展地面关键技术攻关，并瞄准“太极计划”第3步——“太极三号”的目标进行展开。但受地面条件如百万千米臂长模拟、地面噪声水平等的限制，无法对所有关键技术进行真实检验。为此，须通过“太极二号”双星计划对“太极计划”绝大部分关键技术进行高指标的在轨验证，帮助判断地面所做的测试、分析、评估和拓展等实验是否合理，提升关键技术的稳定性和可靠性，降低空间引力波探测“太极计划”的技术风险。在“太极二号”的攻关任务中，罗子人担任首席科学家助理，他将继续为“太极计划”的成功实施贡献自己的力量。

“我们希望‘太极二号’的关键技术验证能够覆盖‘太极三号’的所有关键技术，并且在指标上能够实现相同或者差距不大这样一个水平。这样的话，‘太极二号’发射之后，我们就敢拍着胸脯说‘太极三号’肯定没问题。”罗子人说道。

团队合影

钟情引力波研究，开启“引力宇宙”

说起罗子人与引力波的缘分，颇有些“命中注定”的意味。

2003年，罗子人还在读硕士，学习的是应用数学。当时，中国科学院数学与系统科学研究院的刘润球研究员已经开始着手对引力波探测研究进行布局了，跟随刘润球研究员，罗子人开始接触到引力波探测的相关知识。

“刘润球老师是一个很开放的人，他经常邀请国内外各个领域的顶尖专家来研究院演讲，他还经常推荐我们去中国科学院理论物理研究所、清华大学、北京大学等院校和研究所听报告，只要他知道哪里有好的报告演讲，他就推荐我们去听。就这样，听得多了，看得多了，了解得多了，我慢慢开始对引力波产生了兴趣，因为接触了很多引力波领域的很厉害的专家，觉得引力波很神奇，很有吸引力。”罗子人说道。

2007年，罗子人转行到引力波探测领域，开始从事空间引力波探测关键技术的分析和优化研究，包括星间激光干涉测量系统、传感器系统、无拖曳控制系统等，甚至包括一些微推进器和卫星平台的技术调研。

2008年，中国的引力波探测计划被提上日程，罗子人成为“太极联盟”中的一员，开始积极投身于“太极计划”的预研究工作当中。当时，中国引力波探测研究刚刚起步，国家及研究院的支持力度还没有跟上，导致引力波探测计划的团队一度处于一个很艰难的境地，很多人选择了离开，但也有很多人选择了坚持，罗子人就是选择坚持的一员。到了2010年，罗子人博士毕业后，进入中国科学院力学研究所正式从事科研工作，2013年，他转为助理研究员。

由于当时中国在引力波探测方面的研究进展依旧缓慢，罗子人与靳刚研究员商量了一下，决定出国学习，采他山之石以攻玉。2014年3月，罗子人赴德国马克斯·普朗克引力物理研究所（汉诺威）从事博士后工作，主要研究方向为卫星-卫星激光捕获技术。马克斯·普朗克引力物理研究所也称为阿尔伯特·爱因斯坦研究所，研究领域涉及爱因斯坦的广义相对论、数学、量子引力、相对论天体物理和引力波天文学等。该研究所也是“激光干涉空间天线”（LISA）研究做得最好的研究所。在这里，罗子人进行了深入的学习和研究，开阔了科研眼界，增强了科研能力。

“走出国门之前，很多人会觉得国外的月亮更圆一些，但是走出去会发现其实很多方面中国并不比国外差。尤其这些年，中国的发展速度很快，而且中国的学者都是很努力、很勤奋的。”同时，罗子人也表示，国外值得让人学习的是，他们做事情非常扎实，做一件事情要多次论证后，非常确定了才会往前推进下一步的工作。“咱们国家有时候推进得太快了，中间容易出现反复情况，一是浪费时间，二是浪费资源，还是得尽量每一步都做扎实了。”

2015年，LIGO首次探测到引力波后，世界范围内研究引力波的热情再次被点燃。靳刚研究员马上联系了远在德国的罗子人，希望他可以回国协助中国引力波探测计划的实施和推进。于是，2015年年底，罗子人回到中国科学院力学研究所专职从事太极项目的研究。

这些年，他一心扑在“太极一号”的研制工作中。“太极一号”的成功发射也为罗子人及他所在的团队带来了更多机遇。他说道：“我们的团队很年轻，平均年龄才30多岁。正是因为‘太极一号’的成功，所以得到了相关领导的信任，我们可以在‘太极二号’中继续贡献力量，也承担了‘引力波探测’重点专项的星间激光干涉测量系统分析与设计研究。”

“引力波探测”重点专项将为我国在激烈的国际竞争中抢占先机奠定坚实基础。在科学目标上，我国的“引力波探测计划”既包含与LISA（eLISA）波段重叠的波源，如超大质量黑洞的并合、极大质量比绕转系统和河内白矮星绕转等，又包含有别于LISA的中质量黑洞并合过程的波源。对这些引力波源的探测，不仅能探测到单例黑洞并合过程中强引力场的一些性质，以检验广义相对论并测量黑洞的很多参数，还将直接给出对冷暗物质相关模型的限制，对理解宇宙早期演化、星系结构形成、超大质量黑洞的形成和成长等重大天文问题提供直接观察数据。对低红移星团中的中质量黑洞俘获小黑洞所释放的引力波的探测，还将对理解球状星团、年轻星团及矮星系等结构，以及星团与星系间的关系，提供一条重要的途径。

“我们现在的计划是希望我国的引力波探测器能够跟欧美合作的LISA同时上天，大概在2030年前后。因为很多引力波的波源，通过电磁手段已经观测到了。银河系的一些致密双星系统，通过计算发现它们辐射的引力波信号强度非常强，所以探测器上天以后应该可以马上观测到引力波信号。到那时，中国才有望开启‘引力宇宙’。”罗子人说道。

回首过去，罗子人说自己进入引力波探测领域时也处于懵懵懂懂的状态。他没有想过这个领域有着怎样的前途，也没有考虑过从事这个领域的研究会给他带来怎样的利益。他只是通过接触这个领域的顶尖专家，感觉引力波探测是有意思的、有价值的，所以才决定要去做这个领域的研究工作。他说：“人和工作，很多时候不是爱一行干一行，而是干一行爱一行。我属于后者，越在这个领域深入，越会更加喜欢这个领域的工作。这是我喜欢的工作，国家还给发工资，工作的过程中还得到了领导和领域内专家的关心和信任，我觉得我是很幸运的。”

对于未来，罗子人不做过多设想。因为引力波探测是一项久久为功的事业，他要做的就是不忘初心，专注当下，坚定地朝着自己要走的方向前进。宇宙有多大，他的舞台就有多大；宇宙有多远，他的志向就有多远。在无限延伸的宇宙中，他期待可以用科学技术演奏出更多美妙的宇宙交响乐章。

（作者：李明丽 编辑：罗会清）