文/ 楊詩瑞

2019年8月，我國首顆空間引力波探測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——“太極一號(hào)”發(fā)射成功，今年1月8日，該星被正式交付中國科學(xué)院大學(xué)。這是我國第一次開展的空間引力波探測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)，也是登頂國際空間引力波探測(cè)領(lǐng)域的科研高峰、搶占科技制高點(diǎn)的重要抓手，對(duì)助力我國基礎(chǔ)科學(xué)取得重大突破具有重要意義。

探索“眾妙之門”

發(fā)射“太極一號(hào)”是為了在宇宙空間中探測(cè)引力波。引力波是物質(zhì)和能量劇烈運(yùn)動(dòng)和變化產(chǎn)生的一種物質(zhì)波，它能夠穿透電磁波不能穿透的地方，可以探測(cè)到基于電磁波無法觀測(cè)到的宇觀尺度和新的天體現(xiàn)象。引力波提供了遙遠(yuǎn)宇宙中關(guān)于黑洞和其它奇異天體的信息，將成為科學(xué)家進(jìn)一步探索宇宙和發(fā)展科學(xué)理論的有力工具。

任何物質(zhì)的加速運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生引力波，但非常微弱。例如當(dāng)質(zhì)量為2000千克、長度為1米的啞鈴以1000轉(zhuǎn)/秒的角速度快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的引力波在距啞鈴3米位置的振幅僅為10-35——即使目前最敏感的科學(xué)儀器也無法測(cè)量。

▲ 太極一號(hào)衛(wèi)星成功發(fā)射

為此，科學(xué)家們想出了新的解決方案：通過質(zhì)量更大的天體來觀測(cè)引力波效應(yīng)，如黑洞并合。然而，即使是黑洞這樣質(zhì)量巨大的天體，當(dāng)并合產(chǎn)生的引力波信號(hào)穿越茫茫宇宙抵達(dá)地球時(shí)，也是極其微弱的。直到2015年，美國激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）觀測(cè)到了距地球約13億光年的一次雙黑洞并合事件產(chǎn)生的引力波，并以此獲得2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

LIGO之前，國外已有十幾個(gè)地面引力波探測(cè)計(jì)劃，但由于技術(shù)難度和花費(fèi)很大，只有少數(shù)能堅(jiān)持下來。目前尚有意大利和德國建有引力波的地面探測(cè)裝置，澳大利亞、印度和日本正在或計(jì)劃研制類似的探測(cè)器，這些激光干涉儀一起構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)將能夠精確定位引力波源。

那為什么還要去宇宙空間中探測(cè)引力波呢？

因?yàn)椴煌l率引力波反映了宇宙的不同時(shí)期和不同的天體物理過程，但受地球引力梯度的限制，地面上無法觀測(cè)到頻率低于1赫茲的引力波。空間探測(cè)則可以覆蓋引力波最豐富的波源頻段，能夠發(fā)現(xiàn)質(zhì)量更大、距離更遠(yuǎn)的波源，揭示更為豐富的天體物理過程，還可長期觀測(cè)，有利于確定波源位置。歐空局的激光干涉空間天線計(jì)劃（LISA）、日本的分赫茲干涉引力波天文臺(tái)都是正在實(shí)施的空間探測(cè)引力波計(jì)劃。

2008年，中科院開始論證我國空間引力波探測(cè)的可行性，并提出空間引力波探測(cè)“太極計(jì)劃”，確定了“單星、雙星、三星”三步走的發(fā)展戰(zhàn)略和路線圖，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人類歷史上第一個(gè)空間引力波探測(cè)。2019年8月，我國首顆空間引力波探測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——微重力技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星太極一號(hào)發(fā)射成功，我國空間引力波探測(cè)從論證進(jìn)入工程實(shí)施階段，形成在空間探測(cè)引力波的技術(shù)能力，為探索浩瀚宇宙，推動(dòng)人類文明進(jìn)步貢獻(xiàn)中國力量。

▲ 引力波

▲ “太極計(jì)劃”示意圖

科學(xué)抓捕“玄之又玄”的引力波

“太極計(jì)劃”探測(cè)引力波頻段覆蓋了0.1赫茲至1.0赫茲，探測(cè)范圍覆蓋整個(gè)宇宙空間，研究對(duì)象囊括了由近到遠(yuǎn)、由小到大極為豐富的引力波源。

實(shí)施空間引力波探測(cè)挑戰(zhàn)巨大，需要突破目前人類精密測(cè)量和控制技術(shù)的極限。那么怎樣在空間測(cè)量引力波呢？根據(jù)引力波測(cè)量原理，引力波經(jīng)過時(shí)會(huì)引起自由懸浮的兩個(gè)測(cè)試質(zhì)量之間的光程變化，科學(xué)家使用激光干涉儀來測(cè)量這個(gè)光程變化，從而反演引力波信號(hào)。

引力波信號(hào)極其微弱，由此帶來兩個(gè)問題，一是引力波引起的光程變化非常小，對(duì)激光干涉儀的測(cè)量精度要求極高；二是在太空中受太陽光壓、太陽風(fēng)等因素?cái)_動(dòng)，測(cè)試質(zhì)量產(chǎn)生位移噪聲，淹沒引力波信號(hào)。對(duì)此，科學(xué)家將測(cè)試質(zhì)量保護(hù)在衛(wèi)星中心，使其處于自由漂移狀態(tài)，避免與衛(wèi)星的直接物理接觸，從而消除擾動(dòng)對(duì)探測(cè)的影響。

不僅如此，衛(wèi)星擾動(dòng)也有可能碰撞到測(cè)試質(zhì)量，影響探測(cè)結(jié)果。對(duì)此，科學(xué)家利用位移傳感器時(shí)刻監(jiān)控衛(wèi)星與測(cè)試質(zhì)量之間的位移變化，將信號(hào)傳遞給安裝在衛(wèi)星上的微推進(jìn)器，由微推進(jìn)器產(chǎn)生準(zhǔn)確穩(wěn)定的推力，反向抵消衛(wèi)星受到的外界擾動(dòng)力，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)。

所以，空間引力波探測(cè)需要突破高精度超穩(wěn)激光干涉儀、引力參考傳感器、超高精度無拖曳控制、微牛級(jí)推進(jìn)器、超穩(wěn)超靜衛(wèi)星平臺(tái)等核心技術(shù)?！疤珮O一號(hào)”正是瞄準(zhǔn)這一重大科技前沿，對(duì)這些核心技術(shù)的可行性和實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行在軌驗(yàn)證。第一階段在軌測(cè)試和數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，“太極一號(hào)”的激光干涉儀位移測(cè)量精度達(dá)到百皮米量級(jí)，相當(dāng)于一個(gè)原子直徑大??；引力參考傳感器測(cè)量精度達(dá)到地球重力加速度的百億分之一量級(jí)，可以測(cè)出一只螞蟻推動(dòng)“太極一號(hào)”產(chǎn)生的加速度；微推進(jìn)器推力分辨率達(dá)到亞微牛量級(jí)，可以精細(xì)調(diào)節(jié)一粒芝麻重量萬分之一大小的推力。

如此苛刻的測(cè)量精度只為發(fā)現(xiàn)引力波的蹤跡?！疤珮O一號(hào)”實(shí)現(xiàn)我國科研領(lǐng)域最高精度的空間激光干涉測(cè)量，進(jìn)行了我國首次在軌無拖曳控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)，并在國際上首次實(shí)現(xiàn)微牛級(jí)射頻離子和雙?；魻栯娡七M(jìn)技術(shù)的在軌驗(yàn)證，為我國在空間引力波探測(cè)領(lǐng)域率先取得突破奠定基礎(chǔ)，使我國成功邁出空間引力波探測(cè)的第一步。

▲ 太極一號(hào)衛(wèi)星

“太極一號(hào)”的誕生與發(fā)展

2018年8月，“太極計(jì)劃”單星工程任務(wù)在空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)中立項(xiàng)，正式啟程實(shí)施。2019年8月，微重力技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在酒泉發(fā)射中心搭乘快舟一號(hào)甲運(yùn)載火箭發(fā)射升空，進(jìn)入預(yù)定軌道，在9月按計(jì)劃完成第一階段在軌測(cè)試任務(wù)，并正式命名為“太極一號(hào)”。12月，“太極一號(hào)”圓滿完成在軌測(cè)試實(shí)驗(yàn)任務(wù)，各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)滿足研制總要求，成果超出預(yù)期，取得圓滿成功。

不到一年時(shí)間，“太極一號(hào)”從無到有，突破人類精密測(cè)量和控制技術(shù)的極限，觸摸宇宙律動(dòng)“脈搏”。奇跡的誕生來自我國各領(lǐng)域的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、厚積薄發(fā)，也來自“太極一號(hào)”科研團(tuán)隊(duì)的不懈奮斗和協(xié)同創(chuàng)新。

“太極計(jì)劃”項(xiàng)目由中國科學(xué)院大學(xué)負(fù)責(zé)項(xiàng)目整體規(guī)劃及協(xié)調(diào)，并承擔(dān)“太極一號(hào)”科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)研制和霍爾微推進(jìn)系統(tǒng)等的研制任務(wù)。中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院此前完成了“悟空”“墨子”等衛(wèi)星研制，此次再度迎難而上，聯(lián)合中科院力學(xué)所、中科院長春光機(jī)所、中國科學(xué)院大學(xué)等院所不到一年時(shí)間完成“太極一號(hào)”研制；西安衛(wèi)星測(cè)控中心、中科院國家空間科學(xué)中心等單位分別負(fù)責(zé)長期管理和地面支撐，在衛(wèi)星在軌運(yùn)行測(cè)試、業(yè)務(wù)規(guī)劃運(yùn)行等任務(wù)中發(fā)揮著重要作用。

目前“太極一號(hào)”已交付中國科學(xué)院大學(xué)使用，將用于對(duì)空間引力波探測(cè)、地球重力場(chǎng)反演、超高精度慣性導(dǎo)航等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證和研究。中國科學(xué)院大學(xué)整合多方研究力量和資源，共同進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，將開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃制訂、拓展實(shí)驗(yàn)安排、科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、科學(xué)產(chǎn)品發(fā)布等“攻關(guān)”任務(wù)。

前路漫漫，“太極一號(hào)”剛剛邁出我國空間引力波探測(cè)的第一步，按照“太極計(jì)劃”，我國將于2023年后發(fā)射“太極二號(hào)”雙星，對(duì)絕大部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行較高指標(biāo)在軌搭載驗(yàn)證；2033年左右發(fā)射“太極三號(hào)”三星，探測(cè)各種引力波天體，認(rèn)識(shí)引力宇宙。

一切才剛剛開始，空間引力波探測(cè)還要不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)能力的突破，這將是一個(gè)漫長的過程。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，激光干涉儀位移測(cè)量精度、微推進(jìn)器推力精度還要提高一個(gè)量級(jí)，引力參考傳感器測(cè)量精度還要提高6個(gè)量級(jí)。“太極計(jì)劃”要實(shí)現(xiàn)對(duì)相距300萬公里的兩個(gè)測(cè)試質(zhì)量之間十分之一個(gè)原子大小位移變化的精確測(cè)量，對(duì)擾動(dòng)加速度需控制在億億分之一重力加速度的水平，還需要突破更核心的關(guān)鍵技術(shù)，不斷走向科技更前沿?！?/p>

▲ 太極一號(hào)衛(wèi)星核心測(cè)量設(shè)備引力參考傳感器

▲ 研制團(tuán)隊(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)

▲ 太極一號(hào)衛(wèi)星在軌交付儀式現(xiàn)場(chǎng)