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求索未知宇宙，逐鹿空間引力波探測(cè)。前不久，中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)(二期)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)首發(fā)星——微重力技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，為我國(guó)在空間引力波探測(cè)領(lǐng)域率先取得突破奠定了基礎(chǔ)。

作為我國(guó)首顆空間引力波探測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，近日成功發(fā)射的微重力技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星被正式命名為“太極一號(hào)”。為何要去遙遠(yuǎn)太空觸摸宇宙律動(dòng)的“脈搏”?“太極一號(hào)”有何亮點(diǎn)，目前運(yùn)行情況如何?聽(tīng)聽(tīng)專家怎么說(shuō)。

時(shí)空漣漪

如果盤(pán)點(diǎn)近年來(lái)科學(xué)研究的熱點(diǎn)，引力波是其中一個(gè)。2012年，科學(xué)家在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)神秘的上帝粒子，這表明人類對(duì)基本粒子的認(rèn)識(shí)邁出了新的一步。至此，粒子標(biāo)準(zhǔn)物理模型所預(yù)言的61種基本粒子幾乎都已找到，除了目前唯一的例外——引力子?？茖W(xué)家們認(rèn)為，引力波是由引力子組成的，引力子則是證明宇宙大爆炸起源的關(guān)鍵。

目前，人類可見(jiàn)物質(zhì)僅占宇宙總量的不足5%，即粒子標(biāo)準(zhǔn)物理模型能解釋的物質(zhì);95%以上是至今仍籠罩著神秘面紗的暗物質(zhì)和暗能量。“暗”顧名思義“看不見(jiàn)”，也無(wú)法對(duì)光和目前的探測(cè)手段——電磁波產(chǎn)生任何反應(yīng)。但引力波或是揭開(kāi)人類未知世界進(jìn)而理解宇宙起源的關(guān)鍵，因?yàn)榘滴镔|(zhì)和暗能量都涉及引力效應(yīng)和引力作用。

簡(jiǎn)而言之，“引力波提供了不同于電磁波的全新觀測(cè)宇宙重要窗口，成為人類探索和認(rèn)知宇宙的一種新途徑和工具”。中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)相里斌表示。

什么是引力波?它是物質(zhì)和能量劇烈運(yùn)動(dòng)和變化所產(chǎn)生的一種物質(zhì)波。如果以水面來(lái)比喻時(shí)空，引力波就可以看作是時(shí)空的漣漪。

愛(ài)因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。2016年2月，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)宣布，LIGO(激光干涉儀)探測(cè)器觀測(cè)到了引力波發(fā)出的撞擊聲，人類由此第一次聽(tīng)到了來(lái)自外太空的問(wèn)候——雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波。

“引力波的發(fā)現(xiàn)使得人類可探測(cè)到基于電磁波無(wú)法觀測(cè)到的宇觀尺度和新的天體現(xiàn)象。”“太極一號(hào)”首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)副校長(zhǎng)吳岳良說(shuō)。

探測(cè)挑戰(zhàn)

征服星辰大海，注定坎坷難行。日常生活中，任何物質(zhì)的加速運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生引力波，但非常微弱。吳岳良表示，如果用每秒1000轉(zhuǎn)的角速度快速轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)質(zhì)量為2000公斤、長(zhǎng)度為1米的啞鈴，那么在離啞鈴3米遠(yuǎn)處，我們能感受到的引力波振幅僅為10的負(fù)35次方——小到目前人類最敏感的科學(xué)儀器都測(cè)量不到。

后來(lái)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們想到了一個(gè)解決方案：通過(guò)質(zhì)量更大的天體來(lái)觀測(cè)引力波效應(yīng)，比如黑洞并合等。然而，像黑洞這樣質(zhì)量巨大天體融合產(chǎn)生的引力波信號(hào)穿越茫茫宇宙抵達(dá)地球時(shí)，已是極其微弱。吳岳良舉了個(gè)例子，兩顆1.5倍太陽(yáng)質(zhì)量的中子星以每秒1000轉(zhuǎn)的速率繞轉(zhuǎn)并合產(chǎn)生的引力波，在距離10的23次方米的位置能探測(cè)到的引力波強(qiáng)度為10的負(fù)20次方。

困難阻擋不住人類探索宇宙的決心。上世紀(jì)90年代，美國(guó)航空航天局與歐洲航天局合作發(fā)展LISA項(xiàng)目，計(jì)劃探測(cè)的引力波源是雙星系、超致密雙星以及大質(zhì)量天體的爆炸等。這是全球發(fā)展最成熟的空間引力波探測(cè)計(jì)劃，將于2021年完成關(guān)鍵技術(shù)研究，2034年發(fā)射衛(wèi)星。

人類已在地球表面直接探測(cè)到時(shí)空的漣漪，為何還要大費(fèi)周章踏上去太空的征程?“空間引力波探測(cè)的波源特征所對(duì)應(yīng)的天體質(zhì)量和尺度，遠(yuǎn)大于地基引力波探測(cè)所對(duì)應(yīng)的天體源。”吳岳良表示，與地基探測(cè)不同，在空間能夠探測(cè)到中低頻段的引力波信號(hào)，能夠發(fā)現(xiàn)天體質(zhì)量更大、距離更遙遠(yuǎn)的引力波波源，揭示更為豐富的天體物理過(guò)程。

“空間探測(cè)所覆蓋的是引力波波源最為豐富的頻段，擁有大量可保證探測(cè)到的天體波源，可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，有利于確定波源位置。”吳岳良進(jìn)一步解釋。

中國(guó)智慧

探索浩瀚宇宙，為人類文明進(jìn)步貢獻(xiàn)更多中國(guó)智慧、中國(guó)方案和中國(guó)力量，中國(guó)亦在行動(dòng)。2008年開(kāi)始論證的空間引力波探測(cè)“太極計(jì)劃”便是一個(gè)代表。

按照吳岳良的說(shuō)法，不同頻率引力波反映了宇宙的不同時(shí)期與不同的天體物理過(guò)程。“太極計(jì)劃”探測(cè)頻段基本覆蓋歐空局LISA引力波探測(cè)頻段(0.1赫茲至1.0赫茲)，并在0.01赫茲至1.0赫茲頻段比LISA具有更高的探測(cè)靈敏度。我國(guó)空間引力波探測(cè)研究對(duì)象囊括了由近到遠(yuǎn)、由小到大極為豐富的引力波源，探測(cè)范圍可以覆蓋整個(gè)宇宙空間。

由于引力波信號(hào)極其微弱，實(shí)施空間引力波探測(cè)挑戰(zhàn)巨大，需要突破目前人類精密測(cè)量和控制技術(shù)的極限。這里面所涉及的核心技術(shù)包括高精度超穩(wěn)激光干涉儀、引力參考傳感器、微牛級(jí)推進(jìn)器、超穩(wěn)超靜衛(wèi)星平臺(tái)等。

根據(jù)“太極計(jì)劃”，我國(guó)確定了“單星、雙星、三星”“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略和路線圖，并于2018年8月立項(xiàng)實(shí)施“太極計(jì)劃”單星工程任務(wù)，啟動(dòng)了“三步走”中的第一步：發(fā)射“太極一號(hào)”衛(wèi)星，對(duì)核心技術(shù)的可行性和實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行在軌驗(yàn)證，繼而形成在空間探測(cè)引力波的技術(shù)能力。

時(shí)光不負(fù)情深。“太極一號(hào)”科研團(tuán)隊(duì)全力以赴、攻堅(jiān)克難、勇于突破、協(xié)同創(chuàng)新，在不到一年時(shí)間內(nèi)完成了衛(wèi)星研制任務(wù)。8月31日，我國(guó)首顆空間引力波探測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——微重力技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“太極一號(hào)”成功發(fā)射。

“衛(wèi)星在軌測(cè)試正按計(jì)劃有序開(kāi)展，目前衛(wèi)星狀態(tài)正常，第一階段在軌測(cè)試任務(wù)順利完成。”吳岳良介紹，我國(guó)成功邁出了空間引力波探測(cè)的第一步，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了“太極計(jì)劃”技術(shù)路線的正確性和方案的可行性。

太極計(jì)劃

根據(jù)“太極一號(hào)”第一階段在軌測(cè)試和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，激光干涉儀位移測(cè)量精度達(dá)到百皮米量級(jí)，百皮米相當(dāng)于一個(gè)原子直徑的大小;引力參考傳感器測(cè)量精度達(dá)到地球重力加速度的百億分之一量級(jí)，這意味著可以測(cè)出一只螞蟻推動(dòng)“太極一號(hào)”衛(wèi)星產(chǎn)生的加速度;微推進(jìn)器推力分辨率達(dá)到亞微牛量級(jí)，這表示可以精細(xì)調(diào)節(jié)一粒芝麻重量萬(wàn)分之一大小的推力。

如此苛刻的測(cè)量精度只為發(fā)現(xiàn)引力波的蹤跡。按照引力波測(cè)量原理，引力波經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)引起自由懸浮的兩個(gè)測(cè)試質(zhì)量(理想情況下可以看成兩個(gè)質(zhì)點(diǎn))之間的光程變化?？茖W(xué)家們正是通過(guò)激光干涉儀來(lái)測(cè)量這個(gè)光程變化，從而來(lái)反演引力波信號(hào)。

但由于引力波信號(hào)極其微弱，因此會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：一是引力波引起的光程變化非常小，因而對(duì)激光干涉儀的測(cè)量精度提出了極高要求。二是如果測(cè)試質(zhì)量暴露在外太空，受到太陽(yáng)光壓、太陽(yáng)風(fēng)等因素?cái)_動(dòng)，測(cè)試質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)加速度，從而產(chǎn)生位移噪聲，很容易把引力波信號(hào)淹沒(méi)。因此，科學(xué)家們將測(cè)試質(zhì)量保護(hù)在衛(wèi)星中心，與衛(wèi)星沒(méi)有直接物理接觸，使其不受外界擾動(dòng)，測(cè)試質(zhì)量就會(huì)處于自由漂移狀態(tài)。

但如此一來(lái)，外界擾動(dòng)就會(huì)作用在衛(wèi)星上，使衛(wèi)星產(chǎn)生位移擾動(dòng)，時(shí)間一長(zhǎng)，衛(wèi)星與測(cè)試質(zhì)量會(huì)碰撞到一起。怎么辦?科學(xué)家們通過(guò)位移傳感器(電容位移傳感或者光傳感)時(shí)刻讀出衛(wèi)星和測(cè)試質(zhì)量之間的位移變化，反饋給安裝在衛(wèi)星上的微推進(jìn)器，微推進(jìn)器會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)確且穩(wěn)定的推力，將衛(wèi)星受到的外界擾動(dòng)力補(bǔ)償?shù)?，從而始終保持測(cè)試質(zhì)量和衛(wèi)星間的位移處于平衡狀態(tài)。

“‘太極一號(hào)’實(shí)現(xiàn)了我國(guó)迄今為止最高精度的空間激光干涉測(cè)量，成功開(kāi)展了我國(guó)首次在軌無(wú)拖曳控制技術(shù)試驗(yàn)，并在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了微牛級(jí)射頻離子和雙模霍爾電推進(jìn)技術(shù)的在軌驗(yàn)證，這為我國(guó)在空間引力波探測(cè)領(lǐng)域率先取得突破奠定了基礎(chǔ)。”中國(guó)科學(xué)院院士、“太極一號(hào)”衛(wèi)星工程總師王建宇表示。

一切才剛剛開(kāi)始。根據(jù)王建宇的說(shuō)法，要達(dá)到空間引力波探測(cè)的技術(shù)條件可能還需要10年。比如，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，激光干涉儀位移測(cè)量精度、微推進(jìn)器推力精度要提高一個(gè)量級(jí)，引力參考傳感器測(cè)量精度還要提高6個(gè)量級(jí)。

“‘太極計(jì)劃’要實(shí)現(xiàn)對(duì)相距300萬(wàn)公里的兩個(gè)測(cè)試質(zhì)量之間十分之一個(gè)原子大小位移變化的精確測(cè)量，對(duì)擾動(dòng)加速度需控制在億億分之一重力加速度的水平，還需要突破更核心的關(guān)鍵技術(shù)。”吳岳良表示。

如今，一切正朝著既定方向發(fā)展。按照“太極計(jì)劃”，我國(guó)將于2023年后發(fā)射“太極二號(hào)”雙星，對(duì)絕大部分關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展較高指標(biāo)在軌搭載驗(yàn)證;2033年左右發(fā)射“太極三號(hào)”三星，探測(cè)各種引力波天體，認(rèn)識(shí)引力宇宙。