走近大科學(xué)工程

科技日報(bào)記者 劉園園

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

隨著地面引力波天文臺捷報(bào)頻傳，去太空聆聽宇宙琴弦愈加受到期待。

記者了解到，早在2012年，中國空間引力波探測研究團(tuán)隊(duì)受邀參加首屆歐洲空間局空間引力波探測聯(lián)盟會議，公開介紹了中國的空間引力波探測計(jì)劃。該計(jì)劃在2016年初由中科院正式啟動，并簡稱為空間“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報(bào)記者采訪時介紹，其基本原理與LIGO類似，都是利用激光干涉。

LIGO由兩條長度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)過會導(dǎo)致干涉臂臂長發(fā)生微弱變化，激光束的傳播時間也發(fā)生變化并產(chǎn)生所謂的干涉條紋。LIGO就是要測量這種極其微弱的變化。

與之相比，“太極”將位于太空中，干涉臂臂長即衛(wèi)星間距——300萬公里。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，因此可同時進(jìn)行3組引力波探測實(shí)驗(yàn)。

“對于一個引力波事件，‘太極’攜帶的6個激光組可以同時探測到，進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，并獨(dú)立實(shí)現(xiàn)相互驗(yàn)證?！薄疤珮O計(jì)劃”首席科學(xué)家、中科院院士胡文瑞說。

三步走實(shí)現(xiàn)“太極計(jì)劃”

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

“在精密測量物理方面，‘太極計(jì)劃’所要達(dá)到的很多指標(biāo)都是國際上最精密、最靈敏的極限指標(biāo)?！眳窃懒几嬖V記者。

這項(xiàng)計(jì)劃將利用高精度激光干涉測距系統(tǒng)，在300萬公里距離測量由引力波造成的皮米級的距離變化。要知道，皮米是納米的千分之一。

由于要實(shí)現(xiàn)高精度測量，“太極計(jì)劃”將對衛(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。而且，為避免外力干擾引力波信號探測，衛(wèi)星載荷必須處于自由懸浮狀態(tài)， 這就需要應(yīng)用無拖曳控制系統(tǒng)精確感知外力變化，并使用0.1微牛級的微推進(jìn)器技術(shù)對其他外力進(jìn)行平衡。請注意，1微牛是百萬分之一牛。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目標(biāo)

既然已有地面引力波探測器，為何還要去太空探測引力波？答案是：二者所探測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。地面引力波探測器主要探測中高頻段的引力波事件，頻段集中在10赫茲到1000赫茲之間；而空間引力波探測器主要面向0.1毫赫茲到1赫茲的中低頻引力波事件?！眳窃懒冀榻B。 

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。

“空間引力波探測與地面引力波探測在探測頻段上是互補(bǔ)的?！敝锌圃涸菏俊⒅锌圃豪碚撐锢硌芯克芯繂T蔡榮根在接受科技日報(bào)記者采訪時介紹，LIGO這樣的地面引力波探測器探測到的多是十倍到幾十倍太陽質(zhì)量的小質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波，而空間引力波探測器將探測上千倍太陽質(zhì)量，甚至百萬到千萬倍太陽質(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)家對于星系形成和宇宙演化的認(rèn)識。

“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的重要目標(biāo)之一。” 蔡榮根告訴科技日報(bào)記者，這種引力波是保存了早期宇宙信息的“化石”，對理解早期宇宙演化具有重要科學(xué)意義。