中國在太空中獵捕引力波的旅程，將由一對雙子星擔(dān)當(dāng)探路先鋒

中國在太空中獵捕引力波的旅程，將由一對雙子星擔(dān)當(dāng)探路先鋒。中國科學(xué)院大學(xué)常務(wù)副校長、空間引力波探測項(xiàng)目“太極計(jì)劃”首席科學(xué)家吳岳良院士近日在中科院理論物理研究所的一場報(bào)告中透露，項(xiàng)目計(jì)劃在2020年到2025年發(fā)射“太極探路者號”試驗(yàn)雙星系統(tǒng)，搭載空間引力波探測關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

完成技術(shù)驗(yàn)證后，“太極計(jì)劃”預(yù)期在2033年發(fā)射三顆衛(wèi)星組成邊長300萬公里的等邊三角形，在地球繞日軌道發(fā)射入軌后繞日運(yùn)行，彼此形成6路干涉激光。

空間引力波探測和地面引力波探測的本質(zhì)原理相同，只是不受地面噪音和地面距離的限制，能夠探測質(zhì)量和尺度更大的天體，視野也更深廣。同時(shí)，衛(wèi)星可以進(jìn)行長時(shí)間、多角度的觀測，更容易確定波源。“太極計(jì)劃”將主要探測中等質(zhì)量和大質(zhì)量雙黑洞并合。

“太極計(jì)劃”由此得名：太極在道家文化中是宇宙的起源，而雙黑洞并合的情景頗合太極之象。

雙黑洞并合產(chǎn)生引力波

“太極計(jì)劃”在國際上的合作者兼競爭者是由歐洲空間局(ESA)主導(dǎo)的LISA項(xiàng)目。其單顆技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星“LISA探路者號”已于2015年年底發(fā)射升空，并取得了超出預(yù)期的成功結(jié)果。

LISA項(xiàng)目三顆衛(wèi)星的預(yù)期發(fā)射時(shí)間與“太極計(jì)劃”接近。

聆聽時(shí)空漣漪的方法

引力波是愛因斯坦廣義相對論中的重要推論。時(shí)間和空間在質(zhì)量面前扭曲，時(shí)空在伸展和壓縮的過程中，會產(chǎn)生振動(dòng)傳播開來，這些振動(dòng)就是引力波。

2016年2月16日，在愛因斯坦提出廣義相對論的百年紀(jì)念日上，激光干涉引力波觀測臺(LIGO)宣布成功探測到雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，成為近年來的頭號科學(xué)突破。領(lǐng)導(dǎo)LIGO的三位美國物理學(xué)家也毫無懸念地捧走了2017年的諾貝爾獎(jiǎng)。

LIGO的本質(zhì)是兩臂等長4公里的L型真空管，引力波經(jīng)過會微小地扭曲真空管中的時(shí)空，使兩臂各自發(fā)射的激光出現(xiàn)光程差。

LIGO的本質(zhì)是兩臂等長4公里的L型真空管

不過，收到空間距離的限制和地球噪聲的影響，地面激光干涉儀無法探測低于10赫茲的引力波，能研究的目標(biāo)主要是小黑洞并合，且并合過程短暫，波源位置不易確定。

邊長數(shù)百萬公里的空間激光干涉衛(wèi)星系統(tǒng)，相當(dāng)于一個(gè)放大了幾十萬倍的LIGO。雖然兩者探測的基本原理相同，但所涉及的關(guān)鍵技術(shù)卻相當(dāng)不同。吳岳良介紹道，空間引力波探測一是要保證測試質(zhì)量的無拖曳運(yùn)動(dòng)，二是實(shí)現(xiàn)空間長基線(百萬公里)的弱光干涉技術(shù)。

比如，衛(wèi)星的激光測距系統(tǒng)需要精確到皮米(10^-12米，納米的千分之一)級別，且控制載荷只受到引力波的影響。“這是人類能做到的精度極限。”吳岳良說道。

歐洲的“LISA探路者號”衛(wèi)星完成了部分關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證。而“太極探路者號”則將首次實(shí)現(xiàn)雙星系統(tǒng)試驗(yàn)。

“LISA探路者號”衛(wèi)星

2016年來到日地第一拉格朗日點(diǎn)(衛(wèi)星在該點(diǎn)上的軌道周期與地球公轉(zhuǎn)周期一致)的“LISA探路者號”攜帶了兩個(gè)質(zhì)量2千克的金鉑合金立方體，相隔距離38厘米。立方體受到衛(wèi)星環(huán)境的保護(hù)，理論上只有引力波能擾動(dòng)它們的自動(dòng)落體同步性。“LISA探路者號”實(shí)驗(yàn)證明，對這種擾動(dòng)的測量精度能夠達(dá)到皮米級別。

此外，衛(wèi)星上的微型推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)了高精度地調(diào)整衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)路線，以保證立方體能自由下落而不受干擾。1000個(gè)這樣的推進(jìn)器才能推動(dòng)地面上的一張紙。

“LISA探路者號”衛(wèi)星 歐洲空間局 圖

雖然“LISA探路者號”的降噪精度超過了目標(biāo)精度的5倍，令人喜出望外，但LISA項(xiàng)目本身卻有些波折。

1990年代，歐洲空間局和美國國家航天航空局(NASA)開始合作發(fā)展LISA(激光干涉儀空間天線)項(xiàng)目。這也是目前國際上發(fā)展相對最成熟的空間引力波探測計(jì)劃。

2011年，由于NASA的退出和歐洲經(jīng)費(fèi)的縮減，LISA演化為eLISA項(xiàng)目，從3顆衛(wèi)星6路激光干涉削減為3顆衛(wèi)星2路激光干涉。隨后，歐空局邀請中國加入該項(xiàng)目，承擔(dān)其中20%的經(jīng)費(fèi)。

2017年6月， LISA入選歐空局“宇宙觀十年計(jì)劃(2015-2025)”中最高的L級任務(wù)，經(jīng)費(fèi)上限10.5億歐元。幾乎同時(shí)，NASA宣布回歸空間引力波探測，eLISA又重新回到了LISA項(xiàng)目。

LISA預(yù)期在2021年完成關(guān)鍵技術(shù)研究，爭取在2030年左右發(fā)射衛(wèi)星。

吳岳良對此表示，中科院始終保持著兩條路線，在參與LISA每一次合作會議的同時(shí)，堅(jiān)持探索自主的引力波空間探測計(jì)劃。“太極計(jì)劃”幾乎覆蓋LISA的引力波探測頻段，且在中等質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)對應(yīng)的頻段比LISA具有更高的探測靈敏度。

“太極計(jì)劃”衛(wèi)星組平面與黃道面成60度夾角

“太極計(jì)劃”將幫助科學(xué)家了解宇宙中第一代種子黑洞是否由暗物質(zhì)形成，又是如何成長為大質(zhì)量和超大質(zhì)量黑洞的。同時(shí)，科學(xué)家能借此研究引力波的極化，探索引力的本質(zhì)。

其他引力波探測計(jì)劃

LIGO成功探測到引力波后，中國迅速跟進(jìn)布局。目前，中國的引力波探測大致兵分三路。在“太極計(jì)劃”之外，中山大學(xué)也提出了一個(gè)獨(dú)立的空間引力波探測項(xiàng)目“天琴計(jì)劃”。“天琴計(jì)劃”同樣是一個(gè)三星系統(tǒng)，位于距離地球約10萬公里的地球軌道，組成邊長約15萬公里的三角形。

“太極計(jì)劃”、LISA的太陽軌道(上)與“天琴計(jì)劃”的地球軌道(下) Science雜志 圖

吳岳良指出，“太極計(jì)劃”在太陽軌道上運(yùn)行，一是可避開地球重力梯度噪聲的影響;二是衛(wèi)星組平面與黃道面成60度夾角，使衛(wèi)星始終面對太陽保持熱輻射的穩(wěn)定性，滿足探測器溫度變化控制在百萬分之一的要求。

此外，中科院高能所正牽頭在海拔5100米的西藏阿里建設(shè)原初引力波項(xiàng)目，聆聽大爆炸后的宇宙初啼。一期望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)在2020年開始觀測。

國際上，美國和日本各自提出了“大爆炸觀測者”和DECIGO計(jì)劃，著重探測與地面和LISA之間的中頻0.1-1.0赫茲引力波。不過，兩者所要求的探測精度更高、經(jīng)費(fèi)更高，目前項(xiàng)目進(jìn)展緩慢。

標(biāo)簽： 引力波 先鋒 中國