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太极计划:去太空捕捉时空涟漪

来源:科技日报2019-05-31 10:50

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  2015年,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)首次在人类历史上直接探测到引力波。几年来,LIGO已公开确认成功探测到十几次引力波事件。

  随着地面引力波天文台捷报频传,去太空聆听宇宙琴弦愈加受到期待。

  记者了解到,早在2012年,中国空间引力波探测研究团队受邀参加首届欧洲空间局空间引力波探测联盟会议,公开介绍了中国的空间引力波探测计划。该计划在2016年初由中科院正式启动,并简称为空间“太极计划”。目前“太极计划”正在进行关键技术攻关,并已取得一些重要进展。

  在太空形成激光干涉链路

  “‘太极’由3颗绕太阳轨道运转的卫星组成,呈正三角形编队,每颗卫星之间相距300万公里。”“太极计划”首席科学家、中科院院士吴岳良接受科技日报记者采访时介绍,其基本原理与LIGO类似,都是利用激光干涉。

  LIGO由两条长度4公里且互相垂直的干涉臂构成。激光束沿每条干涉臂传播,并被反射镜反射。引力波的经过会导致干涉臂臂长发生微弱变化,激光束的传播时间也发生变化并产生所谓的干涉条纹。LIGO就是要测量这种极其微弱的变化。

  与之相比,“太极”将位于太空中,干涉臂臂长即卫星间距——300万公里。LIGO的激光束需要在专门建造的真空腔体中传播。而“太极”本身就处于真空环境下,激光束直接在卫星之间传播。

  吴岳良介绍,“太极”的每颗卫星均携带两套星间激光干涉测距系统。这样,3颗卫星一共可形成6条激光干涉链路,它们之间两两干涉形成“V”型激光干涉链路,因此可同时进行3组引力波探测实验。

  “对于一个引力波事件,‘太极’携带的6个激光组可以同时探测到,进行3组实验,并独立实现相互验证。”“太极计划”首席科学家、中科院院士胡文瑞说。

  三步走实现“太极计划”

  “太极计划”希望建成一个在宇宙空间探测引力波的超精密测量系统,涉及至少28种关键核心技术,比LIGO的技术难度有过之而无不及。

  “在精密测量物理方面,‘太极计划’所要达到的很多指标都是国际上最精密、最灵敏的极限指标。”吴岳良告诉记者。

  这项计划将利用高精度激光干涉测距系统,在300万公里距离测量由引力波造成的皮米级的距离变化。要知道,皮米是纳米的千分之一。

  由于要实现高精度测量,“太极计划”将对卫星的稳定性提出极高要求,3颗卫星必须是超稳超静平台。而且,为避免外力干扰引力波信号探测,卫星载荷必须处于自由悬浮状态,这就需要应用无拖曳控制系统精确感知外力变化,并使用0.1微牛级的微推进器技术对其他外力进行平衡。请注意,1微牛是百万分之一牛。另外,“太极计划”所应用的一些材料热膨胀系数要小于千万分之一。

  胡文瑞介绍,为逐步达到预期目标,“太极计划”提出了“三步走”发展路线图。第一步,希望在2020年逐步形成空间引力波探测的技术能力;第二步,希望在2023年发射“太极”关键技术双星验证星——太极探路者;第三步,利用太极探路者的技术积累,在2033年发射“太极”三星。

  高频引力波是探测目标

  既然已有地面引力波探测器,为何还要去太空探测引力波?答案是:二者所探测的引力波频段截然不同。

  “类似于电磁波,引力波也是宽频带信号。地面引力波探测器主要探测中高频段的引力波事件,频段集中在10赫兹到1000赫兹之间;而空间引力波探测器主要面向0.1毫赫兹到1赫兹的中低频引力波事件。”吴岳良介绍。

  中低频引力波事件可能具有更加重要的天文学、宇宙学和物理学意义。

  “空间引力波探测与地面引力波探测在探测频段上是互补的。”中科院院士、中科院理论物理研究所研究员蔡荣根在接受科技日报记者采访时介绍,LIGO这样的地面引力波探测器探测到的多是十倍到几十倍太阳质量的小质量黑洞并合产生的引力波,而空间引力波探测器将探测上千倍太阳质量,甚至百万到千万倍太阳质量的中等质量黑洞和超大质量黑洞并合产生的引力波。

  蔡荣根介绍,探测超大质量黑洞并合产生的引力波将帮助科学家了解这些黑洞的形成和演化信息。而且,超大质量黑洞与星系的形成历史直接相关,相关研究还将进一步推进科学家对于星系形成和宇宙演化的认识。

  “除此之外,诞生于早期宇宙的随机引力波也是空间引力波探测的重要目标之一。” 蔡荣根告诉科技日报记者,这种引力波是保存了早期宇宙信息的“化石”,对理解早期宇宙演化具有重要科学意义。(刘园园)

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