文／羅子人

在日前召開(kāi)的空間激光干涉引力波天線第十四屆國(guó)際年會(huì)上，筆者受邀作“空間引力波探測(cè)太極計(jì)劃及其進(jìn)展”特邀報(bào)告，向世界展示了中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所最新研制的全功能空間引力波探測(cè)激光干涉儀原理樣機(jī)。

從2008年開(kāi)始，我國(guó)科學(xué)家啟動(dòng)了中國(guó)空間引力波探測(cè)計(jì)劃研究，由中科院牽頭組織全國(guó)優(yōu)勢(shì)力量成立論證組，2016年形成了基于日心軌道方案的“太極計(jì)劃”和基于地心軌道方案的“天琴計(jì)劃”，并于2019年先后發(fā)射了“太極一號(hào)”和“天琴一號(hào)”技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，迅速縮小了與國(guó)外的差距。在順利完成空間引力波探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，以及星載引力參考傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，“太極一號(hào)”獲得我國(guó)首個(gè)自主完成的月平均全球重力場(chǎng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了全球重力場(chǎng)前20階球諧函數(shù)勢(shì)的精密測(cè)量，支撐了我國(guó)地球科學(xué)和大地測(cè)繪研究。

2015年，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)在地面首次直接觀測(cè)到雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波信號(hào)。2017年，這項(xiàng)研究工作被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

引力波的發(fā)現(xiàn)是對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論所作預(yù)言的直接驗(yàn)證，為開(kāi)啟引力波物理學(xué)和引力波天文學(xué)的新紀(jì)元奠定了基礎(chǔ)。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論告訴我們，有質(zhì)量的物體會(huì)讓我們的四維時(shí)空產(chǎn)生彎曲。舉個(gè)形象的比喻，如果把四維時(shí)空看成一個(gè)橡皮膜，往上面放一個(gè)小鐵球，它就會(huì)讓橡皮膜向下凹陷產(chǎn)生彎曲。小球質(zhì)量越大，橡皮膜彎曲的程度就越大。當(dāng)有兩顆小球互相繞著轉(zhuǎn)的時(shí)候，它們就會(huì)擾動(dòng)周圍的時(shí)空，使得時(shí)空的彎曲狀態(tài)一直變化，并且這種時(shí)空彎曲的變化還會(huì)像水波一樣向外傳播，這就是引力波。我們把引力波稱為時(shí)空的漣漪。

引力波具有非常寬廣的頻段。不同頻率的引力波對(duì)應(yīng)宇宙演化的不同時(shí)期和不同的天體物理過(guò)程，相應(yīng)的科學(xué)目標(biāo)也不相同。安裝在地上的引力波天文臺(tái)受地面噪聲、干涉儀尺度和波源強(qiáng)度的限制，探測(cè)頻段在10赫茲以上。而中低頻引力波源有更深刻的宇宙學(xué)和天文學(xué)意義，有望直接觀測(cè)到百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的超大黑洞，揭示超大黑洞的起源和演化，描繪出宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成的歷史過(guò)程，提供黑洞附近強(qiáng)引力場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，獲得致密天體在銀河系內(nèi)的分布圖景。

空間引力波探測(cè)器由三顆衛(wèi)星組成，形成正三角形飛行編隊(duì)，可在保持軌道穩(wěn)定的同時(shí)較好地響應(yīng)引力波的偏振特性。每顆衛(wèi)星攜帶兩個(gè)測(cè)試質(zhì)量，激光在測(cè)試質(zhì)量間傳播，建立起兩兩衛(wèi)星間的激光干涉鏈路。當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)時(shí)，測(cè)試質(zhì)量間的光程發(fā)生變化，通過(guò)激光干涉信號(hào)讀出。

三顆衛(wèi)星在發(fā)射進(jìn)入預(yù)定軌道后，需先通過(guò)星間激光捕獲技術(shù)使三顆衛(wèi)星獲得相互間精確的方位信息，然后通過(guò)星間激光跟瞄技術(shù)讓三顆衛(wèi)星通過(guò)激光進(jìn)行相互精確的瞄準(zhǔn)，建立起穩(wěn)定的激光干涉鏈路，同時(shí)還需建立輔助干涉儀進(jìn)行百萬(wàn)千米星間測(cè)距、通信、對(duì)鐘等，以延時(shí)數(shù)據(jù)處理方法來(lái)消除激光頻率噪聲和超穩(wěn)時(shí)鐘的噪聲，這就形成星間激光干涉測(cè)距系統(tǒng)。

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)或者其他宇宙射線的擾動(dòng)，測(cè)試質(zhì)量就會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)加速度，從而產(chǎn)生位移噪聲，很容易將引力波信號(hào)淹沒(méi)。科研人員巧妙地通過(guò)位移傳感器，實(shí)時(shí)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)?，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)。

在20世紀(jì)80年代，國(guó)外便開(kāi)始布局空間引力波探測(cè)，目前最成熟的計(jì)劃為歐空局主導(dǎo)、美國(guó)宇航局參加的空間天線激光干涉儀（LISA）計(jì)劃。因技術(shù)難度極大，2015年發(fā)射的LISA探路者衛(wèi)星進(jìn)行部分關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，2017年LISA被納入歐空局旗艦項(xiàng)目，計(jì)劃2030年發(fā)射。

開(kāi)展空間引力波探測(cè)，可全面促進(jìn)我國(guó)空間高精度引力參考傳感器、星間超高精度激光干涉測(cè)量、高精度衛(wèi)星編隊(duì)、超穩(wěn)超靜衛(wèi)星平臺(tái)等方面技術(shù)的成熟，帶動(dòng)一系列對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家戰(zhàn)略需求有重要價(jià)值的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于全球重力場(chǎng)測(cè)繪、建立高精度全球時(shí)空坐標(biāo)體系、對(duì)地觀測(cè)、大地測(cè)量、資源勘探、自主導(dǎo)航，以及促進(jìn)未來(lái)前沿空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)等具有重要意義。