我国空间引力波探测太极计划

中国空引力波探测计划——“太极计划”

据科技日报报道，2015年5月28日，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)在人类历史上首次直接探测到引力波。近年来，LIGO已经公开证实，它已经成功地探测到了十几个引力波事件。

随着地面引力波天文台的消息频传，去Taitai 空听宇宙弦越来越被期待。

记者了解到，早在2012年，中国空引力波探测研究团队就受邀出席了欧洲空局际空引力波探测联盟第一次会议，公开介绍了中国空的引力波探测计划。该计划由中国科学院于2016年初正式启动，简称空之间的“太极计划”。目前，“太极工程”正在进行技术攻关，并取得了一些重要进展。

在Tai 空形成激光干扰链路

“‘太极’由三颗绕太阳运行的卫星组成，呈正三角形排列，每颗卫星之间的距离为300万公里。太极计划首席科学家、中科院院士吴月良告诉科技日报记者，其基本原理与LIGO类似，都是利用激光干涉。

LIGO由两个长度为4公里且相互垂直的干涉臂组成。激光束沿着每个干涉臂传播，并被反射镜反射。引力波会使干涉臂的臂长发生微小变化，激光束的传播时间也会发生变化，产生所谓的干涉条纹。LIGO正在测量这种极其微弱的变化。

相比之下，“太极”将位于Tai 空，干扰臂的臂长为卫星间距-300万公里。LIGO的激光束需要在一个特别建造的真空腔中传播。而“太极”本身处于真空环境，激光束直接在卫星之间传播。

吴月良介绍，太极每颗卫星携带两个星间激光干涉测距系统。这样，三颗卫星总共可以形成六条激光干扰链路，它们成对地相互干扰，形成一条“V”型激光干扰链路。因此，可以同时进行三组引力波探测实验。

“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，进行3组实验，可以独立实现相互验证。”太极项目首席科学家、中国科学院院士胡文瑞说。

实现“太极计划”的三个步骤

“太极计划”希望构建探测宇宙引力波的超精密测量系统空，涉及至少28项关键核心技术，比LIGO的难度还要大。

“在精密测量物理方面，太极计划要达到的很多指标都是世界上最精密、最灵敏的极限指标。”吴月良告诉记者。

这项计划将使用高精度激光干涉测距系统，在300万公里的距离上测量引力波引起的皮米级距离变化。要知道，皮米是千分之一纳米。

为了实现高精度测量，“太极计划”将对卫星的稳定性提出极高的要求，三颗卫星必须是超稳定、超静态的平台。而且为了避免外力干扰引力波信号探测，卫星载荷必须处于自由浮动状态，这就需要应用无拖曳控制系统来精确感知外力变化，并使用0.1微推力器技术来平衡其他外力。请注意，一头微牛是第一百万头牛。此外，太极工程中使用的一些材料的热膨胀系数不到千万分之一。

胡文瑞介绍，为了逐步实现预期目标，“太极计划”提出了“三步走”的发展路线图。第一步，2020年空之间逐步形成引力波探测技术能力；第二步，2023年推出太极的关键技术——太极探路者。第三步，利用太极探路者的技术积累，在2033年推出“太极”三星。

高频引力波是探测目标。

在已经有地面引力波探测器的情况下，为什么还要去Tai 空探测引力波？答案是:两者探测到的引力波波段完全不同。

“和电磁波一样，引力波也是宽带信号。地面的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10hz-1000Hz之间；空之间的引力波探测器主要面对0.1 MHz到1 Hz的中低频引力波事件。”吴亮介绍。

中低频引力波事件可能具有更重要的天文学、宇宙学和物理学意义。

“空之间的引力波探测和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表示，像LIGO这样的地面引力波探测器，探测的是太阳质量十到几十倍的小质量黑洞结合产生的引力波，而空之间的引力波探测器，则会探测到太阳质量几千甚至几百万到几十倍的中等质量黑洞和超大质量黑洞结合产生的引力波。

蔡荣根介绍，探测超大质量黑洞产生的引力波将有助于科学家了解这些黑洞的形成和演化。而且超大质量黑洞与星系形成的历史直接相关，相关研究将进一步促进科学家对星系形成和宇宙演化的理解。

“除此之外，诞生于早期宇宙的随机引力波也是空之间引力波探测的重要目标之一。”告诉蔡荣根科技日报记者，这个引力波是保存了早期宇宙信息的“化石”，对了解早期宇宙的演化具有重要的科学意义。