走近大科學(xué)工程

科技日報記者 劉園園

2015年，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次在人類歷史上直接探測到引力波。幾年來，LIGO已公開確認(rèn)成功探測到十幾次引力波事件。

隨著地面引力波天文臺捷報頻傳，去太空聆聽宇宙琴弦愈加受到期待。

記者了解到，早在2012年，中國空間引力波探測研究團(tuán)隊受邀參加首屆歐洲空間局空間引力波探測聯(lián)盟會議，公開介紹了中國的空間引力波探測計劃。該計劃在2016年初由中科院正式啟動，并簡稱為空間“太極計劃”。目前“太極計劃”正在進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并已取得一些重要進(jìn)展。

在太空形成激光干涉鏈路

“‘太極’由3顆繞太陽軌道運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星組成，呈正三角形編隊，每顆衛(wèi)星之間相距300萬公里?！薄疤珮O計劃”首席科學(xué)家、中科院院士吳岳良接受科技日報記者采訪時介紹，其基本原理與LIGO類似，都是利用激光干涉。

LIGO由兩條長度4公里且互相垂直的干涉臂構(gòu)成。激光束沿每條干涉臂傳播，并被反射鏡反射。引力波的經(jīng)過會導(dǎo)致干涉臂臂長發(fā)生微弱變化，激光束的傳播時間也發(fā)生變化并產(chǎn)生所謂的干涉條紋。LIGO就是要測量這種極其微弱的變化。

與之相比，“太極”將位于太空中，干涉臂臂長即衛(wèi)星間距——300萬公里。LIGO的激光束需要在專門建造的真空腔體中傳播。而“太極”本身就處于真空環(huán)境下，激光束直接在衛(wèi)星之間傳播。

吳岳良介紹，“太極”的每顆衛(wèi)星均攜帶兩套星間激光干涉測距系統(tǒng)。這樣，3顆衛(wèi)星一共可形成6條激光干涉鏈路，它們之間兩兩干涉形成“V”型激光干涉鏈路，因此可同時進(jìn)行3組引力波探測實驗。

“對于一個引力波事件，‘太極’攜帶的6個激光組可以同時探測到，進(jìn)行3組實驗，并獨立實現(xiàn)相互驗證。”“太極計劃”首席科學(xué)家、中科院院士胡文瑞說。

三步走實現(xiàn)“太極計劃”

“太極計劃”希望建成一個在宇宙空間探測引力波的超精密測量系統(tǒng)，涉及至少28種關(guān)鍵核心技術(shù)，比LIGO的技術(shù)難度有過之而無不及。

“在精密測量物理方面，‘太極計劃’所要達(dá)到的很多指標(biāo)都是國際上最精密、最靈敏的極限指標(biāo)?！眳窃懒几嬖V記者。

這項計劃將利用高精度激光干涉測距系統(tǒng)，在300萬公里距離測量由引力波造成的皮米級的距離變化。要知道，皮米是納米的千分之一。

由于要實現(xiàn)高精度測量，“太極計劃”將對衛(wèi)星的穩(wěn)定性提出極高要求，3顆衛(wèi)星必須是超穩(wěn)超靜平臺。而且，為避免外力干擾引力波信號探測，衛(wèi)星載荷必須處于自由懸浮狀態(tài)， 這就需要應(yīng)用無拖曳控制系統(tǒng)精確感知外力變化，并使用0.1微牛級的微推進(jìn)器技術(shù)對其他外力進(jìn)行平衡。請注意，1微牛是百萬分之一牛。另外，“太極計劃”所應(yīng)用的一些材料熱膨脹系數(shù)要小于千萬分之一。

胡文瑞介紹，為逐步達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，“太極計劃”提出了“三步走”發(fā)展路線圖。第一步，希望在2020年逐步形成空間引力波探測的技術(shù)能力；第二步，希望在2023年發(fā)射“太極”關(guān)鍵技術(shù)雙星驗證星——太極探路者；第三步，利用太極探路者的技術(shù)積累，在2033年發(fā)射“太極”三星。

高頻引力波是探測目標(biāo)

既然已有地面引力波探測器，為何還要去太空探測引力波？答案是：二者所探測的引力波頻段截然不同。

“類似于電磁波，引力波也是寬頻帶信號。地面引力波探測器主要探測中高頻段的引力波事件，頻段集中在10赫茲到1000赫茲之間；而空間引力波探測器主要面向0.1毫赫茲到1赫茲的中低頻引力波事件。”吳岳良介紹。

中低頻引力波事件可能具有更加重要的天文學(xué)、宇宙學(xué)和物理學(xué)意義。

“空間引力波探測與地面引力波探測在探測頻段上是互補(bǔ)的。”中科院院士、中科院理論物理研究所研究員蔡榮根在接受科技日報記者采訪時介紹，LIGO這樣的地面引力波探測器探測到的多是十倍到幾十倍太陽質(zhì)量的小質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波，而空間引力波探測器將探測上千倍太陽質(zhì)量，甚至百萬到千萬倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波。

蔡榮根介紹，探測超大質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波將幫助科學(xué)家了解這些黑洞的形成和演化信息。而且，超大質(zhì)量黑洞與星系的形成歷史直接相關(guān)，相關(guān)研究還將進(jìn)一步推進(jìn)科學(xué)家對于星系形成和宇宙演化的認(rèn)識。

“除此之外，誕生于早期宇宙的隨機(jī)引力波也是空間引力波探測的重要目標(biāo)之一?！?蔡榮根告訴科技日報記者，這種引力波是保存了早期宇宙信息的“化石”，對理解早期宇宙演化具有重要科學(xué)意義。