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“天琴”将奏何妙音?
——“天琴一号”发射成功背后的我国引力波探测之问

图为12月20日11时22分,长征四号乙运载火箭在太原卫星发射中心成功发射。

12月20日,随着长征四号乙运载火箭腾空而起,“天琴一号”技术试验卫星成功飞向太空。

这是我国首颗由国家立项面向未来引力波空间探测的技术试验卫星,其成功发射意味着中国酝酿近20年的空间引力波探测计划方案距离实现迈出了重要一步。在这个历史性的时刻,不妨让我们走近“天琴一号”,揭开“天琴工程”的神秘面纱。

“天琴一号”要做什么?

“天琴一号”由国家航天局为工程大总体管理单位,中山大学为用户单位,中国航天科技集团五院航天东方红卫星有限公司为卫星总体负责单位,试验载荷分别由中山大学、华中科技大学、航天五院等单位研制。

“天琴计划”是由中山大学校长、中国科学院院士罗俊于2014年提出、以中国为主导的国际空间引力波探测计划:2035年前后,在距离地球约10万公里的轨道上部署三颗卫星,构成边长约为17万公里的等边三角形编队,在太空中建成一个探测引力波的天文台。因为三颗卫星组成的编队在天空中形似竖琴,故名天琴。

据介绍,要实现引力波的探测,必须具备两大基础技术,即空间惯性基准技术和激光干涉测距技术;前者相当于找准基点,后者相当于一把尺子。

“天琴计划”将分三次总计发射六颗卫星上天,第一次发射一颗高精度空间惯性基准试验卫星,第二次发射两颗激光干涉测量技术试验卫星;第三次发射三颗天琴卫星,组成编队进行空间引力波探测。

罗俊说,此次发射的“天琴一号”,是“天琴计划”拟发射的第一颗试验卫星。“天琴一号”好比是引力波“探头”,它的核心技术就是空间惯性基准技术,这是空间引力波探测技术体系中的关键技术之一。

那么“天琴一号”上天后将肩负怎样的科学任务?

中山大学天琴中心副主任叶贤基教授说,“天琴一号”身负三大科学任务:一是对空间惯性传感器进行在轨验证,二是对微牛级可变推力的微推力器进行在轨验证,三是对无拖曳控制技术进行在轨验证。此外,“天琴一号”也将对高精度激光干涉测量技术、高精度质心控制技术、高稳定性温度控制技术等引力波空间探测共性关键技术开展在轨验证。

“这颗卫星是整个‘天琴计划’的首颗技术验证星,离最终实现空间引力波探测目标还有很长的路要走。”“天琴一号”技术试验卫星总设计师张立华介绍,这一次的技术验证,将为未来技术发展提供有价值的参考。

“空间引力波探测带来了极大的技术挑战,很多技术指标高于现有水平数个量级。因此,必须循序渐进、分步实施,通过技术试验卫星验证相关技术,待关键技术取得实质性突破后,再去研制能够在空间探测到引力波的卫星系统。”张立华说。

为什么要探测引力波?

在爱因斯坦广义相对论中,引力波是时空波动的具体表现。宇宙大爆炸、黑洞并和等天文事件会产生时空涟漪,如同石头被丢进水里产生的波纹,这种波动会以光速传播。当波动抵达地球时,将“扭曲”地球的时空;这种扭曲极其微弱,不仅你我无法感知,普通的科学仪器也无法测量。

在此之前,人类观测宇宙的手段,不管是红外光还是紫外光,靠的都是电磁波。而引力波提供了一个全新的观测宇宙的重要窗口。

“想象我们在一个房间内看到光在内部传播,那是一种电磁波。而如果房子本身形状发生了改变,则是引力波的作用。”罗俊说。

中国科学家正在进行的空间引力波探测的“天琴计划”,其原理是:由于引力波会造成时空的变化,导致空间中两点之间的距离发生改变。当引力波到达时,会造成一个方向压缩,另一个方向拉伸,这种变化是有规律的。通过精确测量引力波天文台三颗卫星组成的等边三角形之间距离的微小变化,可以测量引力波是否存在。

引力波探测跟我们普通人有关系吗?受访科学家表示,新的科学发现,会给人类社会带来难以预估的影响。引力波探测,将可能带动激光、材料、光学、工程、计算机等诸多学科前沿的发展;引力波探测的很多技术将对或者已经对半导体制造、能源、材料、大数据等实用领域产生深远影响。

中国科学院院士叶朝辉表示,作为我国首颗国家立项的引力波空间探测技术试验卫星,“天琴一号”不仅适用于空间引力波探测计划,还将满足其他基础科学空间实验对航天技术的发展需求。

“‘天琴一号’还是国内首颗无拖曳控制技术试验卫星,无拖曳控制技术是最前沿的航天技术。”叶朝辉说,这将为开展下一代卫星重力测量、深空探测、基础科学实验等提供重要技术储备。

离引力波探测还有多远?

引力波的影响非常微弱,假设在太空中有一个半径10万公里的粒子圈,则引力波对粒子圈带来的形变也只有百分之一个原子的大小,这对测量精度提出了极高要求。

科学家表示,此次“天琴一号”成功发射,意味着空间引力波探测技术迈出了关键性的一大步;但这项工程巨大,技术前沿且复杂,是科学界的“无人之域”,国际竞争日渐白热化。

引力波的频率很宽,就好像交响乐中分低音、中音、中高音和高音;针对不同频率,科学家采取了不同的探测手段,科学目标也不尽相同。

目前,国内主要有三大项目正在推进:一是由中科院高能所主导的基于地面探测的“阿里实验计划”,目的是探测原初引力波;二是由中科院推动的同样基于太空探测的“太极计划”;三是由中山大学主导的“天琴计划”。

而国际上太空引力波探测,以欧洲空间局主导的“LISA空间引力波探测计划”为代表,根据该计划,将在太阳轨道发射三颗卫星组成等边三角形编队。

“天琴计划”首席科学家助理梅健伟教授介绍,“天琴计划”的卫星由于距离地球近,因此面临的来自地球和地月相对运动带来的探测干扰也会多一些,这就对“天琴计划”卫星的高精度惯性传感、微牛级微推进器、高精度无拖曳控制等技术提出了更高的挑战。而“LISA计划”也面临距离地球远、卫星入轨时间长、跟地球通信时间长和在轨控制难度大等问题。

罗俊表示,“天琴一号”虽然意义重大,但并不代表我国空间引力波探测技术已经成熟。实际上我们距离实现空间引力波探测的最终目标还任重道远,必须本着求真务实的科学态度和踏实严谨的科学作风,加快推进关键技术攻关和在轨验证,加速推进人才队伍建设和国内外科技合作。

“科学不仅仅是简单去理解别人探索发现的东西,而应该自己能够走到前沿去探索一些未知的世界,这是科学家的使命,要对未知保持一颗好奇心,对科学保持一颗敬畏心。”罗俊说。

18日13时,狮子座流星雨峰值:ZHR~15,即流星的数目大约每小时15颗,可以在明天、后天的凌晨1时至天亮前观测,今年有月光干扰。狮子座流星雨一般出现在每年的11月14至21日,平常年份流星量较低,观赏价值不很大,但平均每33.3年,会出现大的爆发,流星数目可超过每小时数千颗甚至更高。本世纪之交时曾出现高峰,它与坦普尔-塔特尔彗星的周期有关。
狮子座爆发流星雨时,月亮在哪里?巨蟹座,很近。18日晚18时,蜂巢星团合月,蜂巢星团在月球以南0.9度,到子夜能看到蜂巢星团与月亮升起,会干扰流星雨的观测。

北京首次开展鸳鸯科学调查 五环内共发现547只鸳鸯

2019-03-03 09:02:02 来源: 北京青年报 作者:
  
今天是世界野生动植物日。今年本市将启动城市建成区野生动植物栖息地调查,并划出保育区,限制人类活动,让野生动植物自由栖息。同时,本市还首次开启对鸳鸯等“明星”物种做“人口普查”,分析它们在北京的种类、数量、分布情况、生存状况以及受威胁因子。

鸳鸯,是中国传统文化里的吉祥之鸟。以往,北京城区只在春秋迁徙季和夏季繁殖季节才能看到鸳鸯,但现在冬季,越来越多的公园里也出现了野生鸳鸯的踪迹。北京青年报记者从北京市园林绿化局获悉,今年北京市野生动物救护中心首次持续开展“鸳鸯科学调查项目”,探秘鸳鸯如何适应城市生活。在刚刚结束的冬季调查中,市野生动物救护中心对9个北京五环以内重点鸳鸯栖息地进行了调查,共发现鸳鸯547只。随后的春季调查也将在3月中下旬开始。

今年1月27日下午3点-4点,鸳鸯科学调查项目组的60多名志愿者,分别对北五环内9个鸳鸯栖息地开展同时计数,共发现547只鸳鸯。数量最多的农展馆后湖发现121只、北京动物园120只、玉渊潭102只排名第三;北海公园69只、麋鹿苑47只、紫竹院32只排名中游;北京大学荷花池23只、颐和园团城湖17只、龙潭湖16只数量最少。

在鸳鸯科学调查项目中负责玉渊潭鸳鸯统计的市野生动物救护中心志愿者耿栋介绍说,玉渊潭有12位志愿者,年龄从9岁到50多岁,有两年以上观鸟经验的志愿者5人。鸳鸯要抢食、求偶、水浴、理毛、打架……在小小的望远镜视野里数清楚这些调皮的鸳鸯并不容易,玉渊潭发现的102只鸳鸯中,雄性60只,雌性42只。

北青报记者注意到,9个鸳鸯分布地的数据反馈中,雄性数量全部多于雌性。547只的总数,雄性326只、雌性221只,雄性占总数的60%。

在北京的河湖中,羽饰明艳的鸳鸯让城市变得生机盎然。但是作为中国濒危动物红皮书易危物种,鸳鸯的栖息繁殖、种群分布、迁徙路线……相关科研尚显匮乏。

据了解,2006年至2008年间,中国民间环保组织“自然之友”在北京开展了鸳鸯种群数量的调查,发现北京地区鸳鸯数量约有1500只,主要的栖息地分布在京郊水库和城区的皇家园林,包括密云水库、颐和园、圆明园等。

市野生动物救护中心鸳鸯科学调查项目负责人史洋介绍说,1月份的统计结果,数量不算多,比预计的要少,这与调查范围仅限于城区有关。项目组计划3月再进行一次同步计数,调查范围将会扩大,有水面的公园都尽可能纳入计数范围。而就雄性多于雌性的问题,有专家推断雌性鸳鸯繁殖后要哺育小鸳鸯,被天敌攻击的概率增大,例如猛禽、野猫、黄鼠狼等。但这仅仅是一种推测,还有待科研给出答案。(记者 崔毅飞 王斌)

  对话

  调查系长期项目 为保护鸳鸯提供科学依据

对话人:北京市野生动物救护中心鸳鸯科学调查项目负责人史洋

北青报:北京有数百种鸟类,为何要选择鸳鸯作为调查对象?

史洋:在中国传统文化里,鸳鸯具有深厚的历史底蕴,相比其它鸭科鸟类,雄性鸳鸯色彩艳丽,民众关注度非常高。但对于鸳鸯的繁衍生息、活动规律,我们却掌握得比较少。同时希望通过此次调查,探索出一套研究方法,为今后的科研项目积累经验。除了鸳鸯,北京市野生动物救护中心还在做雨燕的调查。

北青报:鸳鸯科学调查项目将持续多久?

史洋:1月27日,在志愿者团队的支持下,我们对北京城区的鸳鸯数量进行了同步记数,而一两次的统计远远不够,接下来我们会不断进行统计。鸳鸯调查将会是一个长期项目,3-5年甚至更长。通过收集大量基础数据,了解北京鸳鸯种群的数量和分布,为进一步研究鸳鸯的繁殖动态和迁徙规律做准备。调查结果终将为保护鸳鸯提供科学依据。

北青报:志愿者在鸳鸯科学调查中发挥了怎样的作用?

史洋:鸳鸯科学调查项目有60多名志愿者参与进来,大部分是家长带着孩子,一起从事志愿服务。做该项目志愿者的门槛不高,只要“认识鸳鸯、有望远镜、会计数”就能胜任。在鸳鸯数量统计中,没有众多志愿者分头行动,就无法进行同步调查。

北青报:现阶段的鸳鸯科学调查有没有让您感到困惑的问题?

史洋:出于安全、防火等考虑,城市里一些大树有所减少,这直接影响到鸳鸯繁殖所依赖的树洞。但我直观感觉在城市里遇到鸳鸯的概率还比较高、其数量不减反增,甚至冬天也不离京。希望此次调查能够解答,除了树洞、鸳鸯还会在哪里栖息、繁殖?鸳鸯在北京曾经是比较罕见的旅鸟,也就是迁徙途中会经过北京,并不做长时间停留;而从上世纪90年代,北京地区开始有少量鸳鸯在怀沙河的溪流中繁殖,即夏候鸟;在城市水域园林中,鸳鸯得以过冬,成为北京的冬候鸟;更有一部分鸳鸯在北京越冬之后并不迁徙,似乎已经成为了北京城区的留鸟。希望通过科学调查能解释这些变化。

北青报:相对于自然环境,城市环境给野生鸟类生存带来哪些影响?

史洋:鸟类还是喜欢荒野,而北京毕竟是一座现代化城市,对于鸟类的栖息、觅食多少会产生影响。但北京的园林绿化在全国来说做得比较好,这也为鸟类创造了一定的生存空间。例如奥林匹克森林公园,完全是人工修建,经过十年的自然演替,鸟类比以前增加了不少。

北青报:民众的观鸟热情非常高,您对此有何建议?

史洋:民众的热情说明生态环保意识在增强,但也要有所注意。从3月下旬至6月,鸳鸯进入繁殖期,有的争抢树洞、有的入住人工巢箱,希望摄影爱好者能与鸳鸯的筑巢地保持一定距离,避免扎堆围观拍摄,这样容易造成鸳鸯弃巢、影响繁殖。

北青报:根据1987年出版的《北京鸟类志》记载,1986年,北京地区共发现344种鸟,这个数字现在有无变化?

史洋:这本书应该说比较久远,在这30多年间,鸟类的种群、居留型发生了较大变化。而且随着观鸟人群的增多,观测设备的完善和普及,调查、发现鸟类的力量日益增强,目前北京发现的鸟类有500多种。

文/本报记者 崔毅飞

  探访

  鸳鸯一天两次现身玉渊潭

“明天还得更早到,怎么也得6点20……”没能捕捉到鸳鸯入水的瞬间,耿栋心有不甘。除了市野生动物救护中心志愿者这一身份外,耿栋还是自然纪录片导演、摄影师。2月21日早晨6点40,天色蒙蒙亮,户外零下5度,耿栋背着10多公斤重的摄像器材来到玉渊潭公园的樱花湖,一群鸳鸯正在水面上享用早餐,耿栋将摄影机支在低矮的三脚架上,尽可能贴近湖面,力求接近鸳鸯的视点,50-1000mm的变焦镜头可以尽情捕捉鸳鸯的特写画面。这些影像素材将为鸳鸯的研究与保护提供支持。

雄性鸳鸯毛色明艳,喙为鲜红色,黑眼周围呈乳白色,额部和头顶中央为带有金属光泽的翠绿色,最具特色的是背部橘红色的帆状飞羽。雌性鸳鸯则低调内敛,通体呈暗褐色。到了早8点,饭饱肚圆的小家伙们陆续飞离樱花湖。几位摄影师久久不愿离去,交流着鸳鸯出没、繁殖的信息。耿栋告诉北青报记者,除了刚刚结束的“早场”,下午四点至五点间,还会有鸳鸯现身樱花湖。

坐在椅凳上、趴在地上、在栏杆上架炮…… 和观众稀少的“早场”不同,当天下午3点,樱花湖边聚集了上百名摄影爱好者,不少人机警地望向空中,等待抓拍鸳鸯入水的决定性瞬间。4点整,6只鸳鸯准时从天而降、斜向俯冲至湖面,瞬间激起漂亮的水花,咔嚓咔嚓的快门声顿时此起彼伏。在随后的20分钟内,鸳鸯三五只一组陆续在湖面降落,集结成群约有200只,开始享用游人的投喂。鸳鸯属雁形目鸭科,中型树栖水禽,杂食性动物,食物包括水生植物、无脊椎动物、小鱼甚至坚果。经人类投喂,馒头、猫粮也被纳入其食谱。

耿栋介绍说,鸳鸯不仅颜值高,在中国传统文化中底蕴深厚,而且非常接近百姓生活,人们在公园晨练、散步时都可能和鸳鸯相遇。但对于这个常见物种,人类对它究竟了解多少?至少他在参与鸳鸯调查中发现很多疑问。这未知的一切让耿栋着迷。

玉渊潭公园的鸳鸯从哪里来?又飞到哪里去?离开玉渊潭后它们藏在哪里栖息?有人说它们从北海公园来、也有人说它们平时藏在钓鱼台……但都缺乏证据,还有待科学研究破解答案。耿栋说,科研人员曾通过GPS定位,发现一只鸳鸯从北京飞到了广西桂林,遗憾之后失去了信号。接下来的研究,中心计划使用GPS追踪北京鸳鸯的活动范围。

此外,城里人该如何与野生动物相处?有市民在公园里对鸳鸯进行投喂,引发了耿栋的思考。他认为,老百姓的热情无法阻挡,但该不该投喂?哪些食物不能投喂?投喂的度该如何把握?只有通过科学调查,才能找出有效办法。

在参与调查过程中,耿栋发现国内尚无针对城市野生动物的研究论文。而这次调查应该是一次探索,破解野生鸳鸯是如何适应城市生活的。

文/本报记者 崔毅飞

  延伸

  栖息地需重点保护 本市将加强立法

保护鸳鸯等野生动植物,最好的方式就是保护它们的栖息地。

北京林业大学教授、森林生态学和森林培育学博士生导师罗菊春教授告诉北青报记者,鸳鸯是国家二级保护动物,平时在水边的树洞、灌木里繁殖栖息,因为树洞和灌木丛相对隐蔽,不易被打扰,有的树洞1-2米深。而他在调研中发现,北京一些郊区河道边的树木被砍掉、灌木被清理,鸳鸯的繁殖地、栖息地遭到破坏。“保护野生鸳鸯不是不打就行了,还要保护好它们的栖息地,重点是河湖周边的大树、古树、灌木丛”。

北青报记者了解到,针对鸳鸯种群缺少适合巢址的问题,紫竹院、动物园等鸳鸯栖息地开始悬挂人工巢箱。动物园曾悬挂了11个人工巢箱,其中有8个巢箱被鸳鸯利用,从一定程度上缓解了树洞匮乏的状况。

此外,结合修订《北京市实施中华人民共和国〈野生动物保护法〉办法》,市园林等相关部门正在进行前期调研,争取在《实施办法》修订过程中将野生动物栖息地保护作为立法的重要内容,为对干扰或者破坏野生动物栖息的各类行为进行执法提供法律依据。

栖息地保护面临的另一大难题,是频繁的人类活动干扰。市园林绿化局相关负责人介绍,北京城区重要的野生动植物栖息地主要在各大公园,这些公园又承载着市民休闲娱乐的功能。市民希望公园拿出更多的空间,供大家唱歌、跳舞、锻炼身体,这和动植物的栖息地保护是存在一定矛盾的,希望这项工作能够得到更多市民的理解和支持。

清晨的玉渊潭樱花湖边,一对饱餐后的鸳鸯,毛色鲜艳的为雄性(右)
(图一)

一位老大爷在玉渊潭樱花湖边向鸳鸯投喂馒头块(图二)


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