太極計(jì)劃：去太空捕捉時(shí)空漣漪

走近大科學(xué)工程

科技日?qǐng)?bào)記者 劉園園

2015年，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）首次在人類歷史上直接探測(cè)到引力波。幾年來(lái)，LIGO已公開(kāi)確認(rèn)成功探測(cè)到十幾次引力波事件。

隨著地面引力波天文臺(tái)捷報(bào)頻傳，去太空聆聽(tīng)宇宙琴弦愈加受到期待。

記者了解到，早在2012年，中國(guó)空間引力波探測(cè)研究團(tuán)隊(duì)受邀參加首屆歐洲空間局空間引力波探測(cè)聯(lián)盟會(huì)議，公開(kāi)介紹了中國(guó)的空間引力波探測(cè)計(jì)劃。該計(jì)劃在2016年初由中科院正式啟動(dòng)，并簡(jiǎn)稱為空間“太極計(jì)劃”。目前“太極計(jì)劃”正在進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并已取得一些重要進(jìn)展。

在太空形成激光干涉鏈路

“‘太極’由3顆繞太陽(yáng)軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星組成，呈正三角形編隊(duì)，每顆衛(wèi)星之間相距300萬(wàn)公里。”“太極計(jì)劃”首席科學(xué)家、中科院院士吳岳良接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)介紹，其基本原理與LIGO類似，都是利用激光干涉。

LIGO由兩條長(zhǎng)度4公里且互相垂直的干涉臂構(gòu)成。激光束沿每條干涉臂傳播，并被反射鏡反射。引力波的經(jīng)過(guò)會(huì)導(dǎo)致干涉臂臂長(zhǎng)發(fā)生微弱變化，激光束的傳播時(shí)間也發(fā)生變化并產(chǎn)生所謂的干涉條紋。LIGO就是要測(cè)量這種極其微弱的變化。

與之相比，“太極”將位于太空中，干涉臂臂長(zhǎng)即衛(wèi)星間距——300萬(wàn)公里。LIGO的激光束需要在專門建造的真空腔體中傳播。而“太極”本身就處于真空環(huán)境下，激光束直接在衛(wèi)星之間傳播。

吳岳良介紹，“太極”的每顆衛(wèi)星均攜帶兩套星間激光干涉測(cè)距系統(tǒng)。這樣，3顆衛(wèi)星一共可形成6條激光干涉鏈路，它們之間兩兩干涉形成“V”型激光干涉鏈路，因此可同時(shí)進(jìn)行3組引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)。

“對(duì)于一個(gè)引力波事件，‘太極’攜帶的6個(gè)激光組可以同時(shí)探測(cè)到，進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，并獨(dú)立實(shí)現(xiàn)相互驗(yàn)證。”“太極計(jì)劃”首席科學(xué)家、中科院院士胡文瑞說(shuō)。

三步走實(shí)現(xiàn)“太極計(jì)劃”

“太極計(jì)劃”希望建成一個(gè)在宇宙空間探測(cè)引力波的超精密測(cè)量系統(tǒng)，涉及至少28種關(guān)鍵核心技術(shù)，比LIGO的技術(shù)難度有過(guò)之而無(wú)不及。

“在精密測(cè)量物理方面，‘太極計(jì)劃’所要達(dá)到的很多指標(biāo)都是國(guó)際上最精密、最靈敏的極限指標(biāo)。”吳岳良告訴記者。

這項(xiàng)計(jì)劃將利用高精度激光干涉測(cè)距系統(tǒng)，在300萬(wàn)公里距離測(cè)量由引力波造成的皮米級(jí)的距離變化。要知道，皮米是納米的千分之一。

由于要實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，“太極計(jì)劃”將對(duì)衛(wèi)星的穩(wěn)定性提出極高要求，3顆衛(wèi)星必須是超穩(wěn)超靜平臺(tái)。而且，為避免外力干擾引力波信號(hào)探測(cè)，衛(wèi)星載荷必須處于自由懸浮狀態(tài)， 這就需要應(yīng)用無(wú)拖曳控制系統(tǒng)精確感知外力變化，并使用0.1微牛級(jí)的微推進(jìn)器技術(shù)對(duì)其他外力進(jìn)行平衡。請(qǐng)注意，1微牛是百萬(wàn)分之一牛。另外，“太極計(jì)劃”所應(yīng)用的一些材料熱膨脹系數(shù)要小于千萬(wàn)分之一。

胡文瑞介紹，為逐步達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，“太極計(jì)劃”提出了“三步走”發(fā)展路線圖。第一步，希望在2020年逐步形成空間引力波探測(cè)的技術(shù)能力；第二步，希望在2023年發(fā)射“太極”關(guān)鍵技術(shù)雙星驗(yàn)證星——太極探路者；第三步，利用太極探路者的技術(shù)積累，在2033年發(fā)射“太極”三星。

低頻引力波是主要探測(cè)目標(biāo)

既然已有地面引力波探測(cè)器，為何還要去太空探測(cè)引力波？答案是：二者所探測(cè)的引力波頻段截然不同。

“類似于電磁波，引力波也是寬頻帶信號(hào)。地面引力波探測(cè)器主要探測(cè)中高頻段的引力波事件，頻段集中在10赫茲到1000赫茲之間；而空間引力波探測(cè)器主要面向0.1毫赫茲到1赫茲的中低頻引力波事件。”吳岳良介紹。 

中低頻引力波事件可能具有更加重要的天文學(xué)、宇宙學(xué)和物理學(xué)意義。

“空間引力波探測(cè)與地面引力波探測(cè)在探測(cè)頻段上是互補(bǔ)的。”中科院院士、中科院理論物理研究所研究員蔡榮根在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)介紹，LIGO這樣的地面引力波探測(cè)器探測(cè)到的多是十倍到幾十倍太陽(yáng)質(zhì)量的小質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波，而空間引力波探測(cè)器將探測(cè)上千倍太陽(yáng)質(zhì)量，甚至百萬(wàn)到千萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波。

蔡榮根介紹，探測(cè)超大質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波將幫助科學(xué)家了解這些黑洞的形成和演化信息。而且，超大質(zhì)量黑洞與星系的形成歷史直接相關(guān)，相關(guān)研究還將進(jìn)一步推進(jìn)科學(xué)家對(duì)于星系形成和宇宙演化的認(rèn)識(shí)。

“除此之外，誕生于早期宇宙的隨機(jī)引力波也是空間引力波探測(cè)的重要目標(biāo)之一。” 蔡榮根告訴科技日?qǐng)?bào)記者，這種引力波是保存了早期宇宙信息的“化石”，對(duì)理解早期宇宙演化具有重要科學(xué)意義。