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探测空间引力波,“太极一号”来了

来源:经济日报2019-10-10 08:32

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  探测空间引力波,“太极一号”来了

  经济日报·中国经济网记者 沈 慧

  “太极一号”卫星工程总师王建宇(左)向记者介绍“太极一号”。

  本报记者 沈 慧摄

  求索未知宇宙,逐鹿空间引力波探测。前不久,中国科学院空间科学(二期)战略性先导科技专项首发星——微重力技术实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射,为我国在空间引力波探测领域率先取得突破奠定了基础。

  作为我国首颗空间引力波探测技术实验卫星,近日成功发射的微重力技术实验卫星被正式命名为“太极一号”。为何要去遥远太空触摸宇宙律动的“脉搏”?“太极一号”有何亮点,目前运行情况如何?听听专家怎么说。

  时空涟漪

  如果盘点近年来科学研究的热点,引力波是其中一个。2012年,科学家在大型强子对撞机实验中发现神秘的上帝粒子,这表明人类对基本粒子的认识迈出了新的一步。至此,粒子标准物理模型所预言的61种基本粒子几乎都已找到,除了目前唯一的例外——引力子。科学家们认为,引力波是由引力子组成的,引力子则是证明宇宙大爆炸起源的关键。

  目前,人类可见物质仅占宇宙总量的不足5%,即粒子标准物理模型能解释的物质;95%以上是至今仍笼罩着神秘面纱的暗物质和暗能量。“暗”顾名思义“看不见”,也无法对光和目前的探测手段——电磁波产生任何反应。但引力波或是揭开人类未知世界进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引力作用。

  简而言之,“引力波提供了不同于电磁波的全新观测宇宙重要窗口,成为人类探索和认知宇宙的一种新途径和工具”。中国科学院副院长相里斌表示。

  什么是引力波?它是物质和能量剧烈运动和变化所产生的一种物质波。如果以水面来比喻时空,引力波就可以看作是时空的涟漪。

  爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。2016年2月,美国激光干涉引力波天文台宣布,LIGO(激光干涉仪)探测器观测到了引力波发出的撞击声,人类由此第一次听到了来自外太空的问候——双黑洞并合产生的引力波。

  “引力波的发现使得人类可探测到基于电磁波无法观测到的宇观尺度和新的天体现象。”“太极一号”首席科学家、中国科学院大学副校长吴岳良说。

  探测挑战

  征服星辰大海,注定坎坷难行。日常生活中,任何物质的加速运动都能产生引力波,但非常微弱。吴岳良表示,如果用每秒1000转的角速度快速转动一个质量为2000公斤、长度为1米的哑铃,那么在离哑铃3米远处,我们能感受到的引力波振幅仅为10的负35次方——小到目前人类最敏感的科学仪器都测量不到。

  后来,实验物理学家们想到了一个解决方案:通过质量更大的天体来观测引力波效应,比如黑洞并合等。然而,像黑洞这样质量巨大天体融合产生的引力波信号穿越茫茫宇宙抵达地球时,已是极其微弱。吴岳良举了个例子,两颗1.5倍太阳质量的中子星以每秒1000转的速率绕转并合产生的引力波,在距离10的23次方米的位置能探测到的引力波强度为10的负20次方。

  困难阻挡不住人类探索宇宙的决心。上世纪90年代,美国航空航天局与欧洲航天局合作发展LISA项目,计划探测的引力波源是双星系、超致密双星以及大质量天体的爆炸等。这是全球发展最成熟的空间引力波探测计划,将于2021年完成关键技术研究,2034年发射卫星。

  人类已在地球表面直接探测到时空的涟漪,为何还要大费周章踏上去太空的征程?“空间引力波探测的波源特征所对应的天体质量和尺度,远大于地基引力波探测所对应的天体源。”吴岳良告诉经济日报记者,与地基探测不同,在空间能够探测到中低频段的引力波信号,能够发现天体质量更大、距离更遥远的引力波波源,揭示更为丰富的天体物理过程。

  “空间探测所覆盖的是引力波波源最为丰富的频段,拥有大量可保证探测到的天体波源,可进行长时间观测,有利于确定波源位置。”吴岳良进一步解释。

  中国智慧

  探索浩瀚宇宙,为人类文明进步贡献更多中国智慧、中国方案和中国力量,中国亦在行动。2008年开始论证的空间引力波探测“太极计划”便是一个代表。

  按照吴岳良的说法,不同频率引力波反映了宇宙的不同时期与不同的天体物理过程。“太极计划”探测频段基本覆盖欧空局LISA引力波探测频段(0.1赫兹至1.0赫兹),并在0.01赫兹至1.0赫兹频段比LISA具有更高的探测灵敏度。我国空间引力波探测研究对象囊括了由近到远、由小到大极为丰富的引力波源,探测范围可以覆盖整个宇宙空间。

  由于引力波信号极其微弱,实施空间引力波探测挑战巨大,需要突破目前人类精密测量和控制技术的极限。这里面所涉及的核心技术包括高精度超稳激光干涉仪、引力参考传感器、微牛级推进器、超稳超静卫星平台等。

  根据“太极计划”,我国确定了“单星、双星、三星”“三步走”的发展战略和路线图,并于2018年8月立项实施“太极计划”单星工程任务,启动了“三步走”中的第一步:发射“太极一号”卫星,对核心技术的可行性和实现途径进行在轨验证,继而形成在空间探测引力波的技术能力。

  时光不负情深。“太极一号”科研团队全力以赴、攻坚克难、勇于突破、协同创新,在不到一年时间内完成了卫星研制任务。8月31日,我国首颗空间引力波探测技术实验卫星——微重力技术实验卫星“太极一号”成功发射。

  “卫星在轨测试正按计划有序开展,目前卫星状态正常,第一阶段在轨测试任务顺利完成。”吴岳良介绍,我国成功迈出了空间引力波探测的第一步,实验结果验证了“太极计划”技术路线的正确性和方案的可行性。

  太极计划

  根据“太极一号”第一阶段在轨测试和数据分析结果,激光干涉仪位移测量精度达到百皮米量级,百皮米相当于一个原子直径的大小;引力参考传感器测量精度达到地球重力加速度的百亿分之一量级,这意味着可以测出一只蚂蚁推动“太极一号”卫星产生的加速度;微推进器推力分辨率达到亚微牛量级,这表示可以精细调节一粒芝麻重量万分之一大小的推力。

  如此苛刻的测量精度只为发现引力波的踪迹。按照引力波测量原理,引力波经过时会引起自由悬浮的两个测试质量(理想情况下可以看成两个质点)之间的光程变化。科学家们正是通过激光干涉仪来测量这个光程变化,从而来反演引力波信号。

  但由于引力波信号极其微弱,因此会带来两个问题:一是引力波引起的光程变化非常小,因而对激光干涉仪的测量精度提出了极高要求。二是如果测试质量暴露在外太空,受到太阳光压、太阳风等因素扰动,测试质量会产生扰动加速度,从而产生位移噪声,很容易把引力波信号淹没。因此,科学家们将测试质量保护在卫星中心,与卫星没有直接物理接触,使其不受外界扰动,测试质量就会处于自由漂移状态。

  但如此一来,外界扰动就会作用在卫星上,使卫星产生位移扰动,时间一长,卫星与测试质量会碰撞到一起。怎么办?科学家们通过位移传感器(电容位移传感或者光传感)时刻读出卫星和测试质量之间的位移变化,反馈给安装在卫星上的微推进器,微推进器会产生准确且稳定的推力,将卫星受到的外界扰动力补偿掉,从而始终保持测试质量和卫星间的位移处于平衡状态。

  “‘太极一号’实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量,成功开展了我国首次在轨无拖曳控制技术试验,并在国际上首次实现了微牛级射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证,这为我国在空间引力波探测领域率先取得突破奠定了基础。”中国科学院院士、“太极一号”卫星工程总师王建宇表示。

  一切才刚刚开始。根据王建宇的说法,要达到空间引力波探测的技术条件可能还需要10年。比如,在现有技术基础上,激光干涉仪位移测量精度、微推进器推力精度要提高一个量级,引力参考传感器测量精度还要提高6个量级。

  “‘太极计划’要实现对相距300万公里的两个测试质量之间十分之一个原子大小位移变化的精确测量,对扰动加速度需控制在亿亿分之一重力加速度的水平,还需要突破更核心的关键技术。”吴岳良表示。

  如今,一切正朝着既定方向发展。按照“太极计划”,我国将于2023年后发射“太极二号”双星,对绝大部分关键技术开展较高指标在轨搭载验证;2033年左右发射“太极三号”三星,探测各种引力波天体,认识引力宇宙。

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