探测空间引力波，“太极一号”来了

“太[db:标签]��1”模拟地图。(信息照片)

“太极一号”卫星工程师王建宇(左)向记者介绍“太极一号”。记者申会询问未知宇宙，争夺空间引力波探测。不久前，中国科学院空间科学(二期)战略试点科技项目的第一颗星————微重力技术实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射，为中国率先在空间引力波探测领域取得突破奠定了基础。

作为中国第一颗空间重力波探测技术实验卫星，最近成功发射的微重力技术实验卫星正式命名为“太极1号”。你为什么想去遥远的太空触摸宇宙的“脉搏”？“太极1”的亮点是什么？它目前是如何运作的？听听专家怎么说。

目前，人类可见物质只占整个宇宙的不到5%，即可以用粒子的标准物理模型来解释的物质；超过95%是暗物质，暗能量仍然笼罩在神秘之中。顾名思义，“暗”是“不可见的”，不能对光和——电磁波作出反应，这是电流检测的手段。然而，引力波可能是揭示人类未知世界从而理解宇宙起源的关键，因为暗物质和暗能量都涉及引力效应和重力效应。

引力波是近年来科学研究的热点之一。2012年，科学家在大型强子对撞机实验中发现了神秘的上帝粒子，这表明人类在理解基本粒子方面迈出了新的一步。迄今为止，除了——个引力子之外，粒子标准物理模型预测的几乎所有61个基本粒子都已被发现。科学家认为引力波是由引力子组成的，引力子是证明大爆炸起源的关键。

目前，人类可见物质只占整个宇宙的不到5%，即可以用粒子的标准物理模型来解释的物质；超过95%是暗物质，暗能量仍然笼罩在神秘之中。顾名思义，“暗”是“不可见的”，不能对光和——电磁波作出反应，这是电流检测的手段。然而，引力波可能是揭示人类未知世界从而理解宇宙起源的关键，因为暗物质和暗能量都涉及引力效应和重力效应。

简而言之，“引力波为观察不同于电磁波的宇宙提供了一个新的重要窗口，并成为人类探索和理解宇宙的新方式和工具”。中国科学院副院长向立斌说。

什么是引力波？它是由物质和能量的剧烈运动和变化产生的物质波。如果把时空和水面相比较，引力波可以被看作时空的波纹。

爱因斯坦基于广义相对论预测引力波的存在。2016年2月，美国激光干涉仪引力波天文台宣布，LIGO(激光干涉仪)探测器已经观测到引力波发出的撞击声，从而人类首次听到了来自外太空的问候，——对黑洞组合产生引力波。

“引力波的发现使人类有可能探测到宇宙尺度和新的天体现象，而这些是电磁波无法观测到的。”“太极一号”首席科学家、中国科学院副院长吴岳亮说。

探索挑战

征服星海，注定艰难。在日常生活中，任何物质的加速都会产生引力波，但它们非常微弱。吴岳亮说，如果一个质量为2000公斤、长度为1米的哑铃以每秒1000转的角速度快速旋转，我们在距离哑铃3米处能感觉到的引力波振幅只有10到负35次方——，这与目前人类最灵敏的科学仪器一样小。

后来，实验物理学家想出了一个解决方案:通过质量较大的物体观察引力波效应，如黑洞合并。然而，黑洞等巨大天体融合产生的引力波信号在穿过浩瀚宇宙到达地球时非常微弱。吴岳亮举了一个例子。两颗质量为太阳1.5倍的中子星以每秒1000转的速度旋转并合并，产生引力波。在10到23次方米的距离上可以探测到的引力波强度是负20次方的10次方。

困难不能阻止人类探索宇宙的决心。1990年代，美国航天局和欧洲航天局合作开发了LISA项目。计划探测的引力波源是双星、超致密双星和

“太空探索覆盖了引力波源中最丰富的频带，并且有大量可以探测到的天波源。它可以观察很长时间，这有利于确定波源的位置。”吴岳亮进一步解释道。

中国智慧

探索广阔的宇宙，为人类文明的进步贡献更多的中国智慧、中国的计划和中国的力量。中国也在采取行动。2008年开始展示的探测太空引力波的“太极计划”就是一个例子。

根据吴岳亮的说法，不同频率的引力波反映了宇宙的不同时期和不同的天体物理过程。“太极图”探测波段基本覆盖欧空局LISA引力波探测波段(0.1赫兹至1.0赫兹)，在0.01赫兹至1.0赫兹波段比LISA具有更高的探测灵敏度。我国空间引力波探测的研究对象包括从近到远、从小到大极其丰富的引力波源，探测范围可以覆盖整个空间。

由于引力波信号极其微弱，实现空间引力波探测是一项巨大的挑战，需要突破目前人类精密测控技术的限制。涉及的核心技术包括高精度超稳定激光干涉仪、重力参考传感器、微牛推进器、超稳定超静态卫星平台等。

根据《太极图》，中国已经确定了“一星、双星、三星”和“三步走”的发展战略和路线图。2018年8月，中国启动实施“太极计划”单星项目，启动“三步走”的第一步:发射“太极1号”卫星，验证核心技术的可行性及其在轨道上实现的方式，进而形成探测空间引力波的技术能力。

时间不宝贵。“太极一号”科研团队全力以赴，克服困难，大胆突破，合作创新，在不到一年的时间里完成了卫星开发任务。8月31日，中国首颗空间重力波探测技术实验卫星——微重力技术实验卫星太极1号成功发射。

“卫星在轨测试正在按计划有序地进行。目前，卫星处于正常状态，在轨测试的第一阶段已经成功完成。”吴岳亮说，中国已经成功地迈出了探测空间引力波的第一步。实验结果验证了“太极图”技术路线的正确性和方案的可行性。

太极图

根据“太极一号”第一阶段的在轨测试和数据分析结果，激光干涉仪的位移测量精度达到100皮米的数量级，相当于原子直径的大小；重力参考传感器的测量精度约为地球重力加速度的十亿分之一，这意味着蚂蚁推动“太极1号”卫星产生的加速度可以测量。微型推进器的推力分辨率达到亚微米牛级，这意味着芝麻粒的推力可以微调到其重量的1/10000。

如此苛刻的测量精度只是为了寻找引力波的踪迹。根据引力波测量原理，引力波会导致两个自由悬浮的测试质量(在理想条件下可视为两个粒子)之间的光路改变。科学家使用激光干涉仪来测量光路的变化，从而获取引力波信号。

但是由于引力波信号极其微弱，会出现两个问题:一是引力波引起的光路变化非常小，从而对激光干涉仪的测量精度提出了极高的要求。第二，如果测试质量暴露于外部空间，并受到诸如太阳光压力和太阳风等因素的干扰，测试质量将产生干扰加速度，从而产生位移噪声，这将容易淹没引力波信号。因此，科学家将在不与卫星直接物理接触的情况下保护卫星中心的测试质量，使其不受外界干扰，测试质量将处于自由漂移状态。

但是这样，外部扰动就会作用在卫星上，导致卫星产生位移扰动。随着时间的推移，卫星和测试质量

一切才刚刚开始。据王建宇称，可能还需要10年才能达到空间引力波探测的技术要求。例如，在现有技术的基础上，激光干涉仪的位移测量精度和微推进器的推力精度需要提高一个数量级，重力参考传感器的测量精度需要提高六个数量级。

“‘太极图’需要精确测量相距300万公里的两个测试质量之间十分之一原子的位移变化。要将扰动加速度控制在十亿分之一重力加速度的水平，还需要突破更多核心关键技术。”吴岳亮说道。

现在，一切都朝着既定的方向发展。根据“太极计划”，中国将在2023年后推出“太极2号”双星，对大部分关键技术进行高指标星上验证。大约在2033年，“太极三号”三星将发射升空，探测各种引力波天体，了解引力宇宙。(记者申会)