空間引力波探測，中國來(lái)了

“太極一號”衛星 

“我宣布，衛星正式命名為‘太極一號’?！?/p>

近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心懷柔園區，隨著(zhù)中國科學(xué)院副院長(cháng)相里斌的一聲宣告，中國空間引力波探測翻開(kāi)了歷史性的一頁(yè)。

在成功發(fā)射20余天后，中國科學(xué)院宣布，其空間科學(xué)（二期）戰略性先導科技專(zhuān)項的首發(fā)星——微重力技術(shù)實(shí)驗衛星狀態(tài)正常，各項測試結果正常，第一階段在軌測試任務(wù)順利完成。同時(shí)，該衛星作為我國首顆空間引力波探測技術(shù)實(shí)驗衛星被正式命名為“太極一號”。

這也意味著(zhù)，“太極一號”為我國邁出了空間引力波探測的第一步，也為我國在空間引力波探測領(lǐng)域率先取得突破奠定了基礎。

100年還沒(méi)走完的路

引力波是物質(zhì)和能量的劇烈運動(dòng)和變化所產(chǎn)生的一種物質(zhì)波，它提供了有別于電磁波的一個(gè)全新的宇宙觀(guān)測窗口，是人類(lèi)探索和認識宇宙的新途徑、新手段。

1916年，愛(ài)因斯坦基于廣義相對論預言了引力波的存在。從此，探尋引力波成為科學(xué)家爭相奪取的科學(xué)皇冠上的“明珠”。

但直到100年后，美國地面激光干涉引力波天文臺LIGO實(shí)驗組才宣布直接觀(guān)測到引力波，這項工作獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎。

然而，引力波這件事還遠遠沒(méi)有畫(huà)上句號。跟電磁波一樣，引力波也有不同的頻率。而不同頻率引力波，反映的是宇宙不同時(shí)期和不同的天體物理過(guò)程。美國人在地面上用兩條4千米長(cháng)的“胳膊”抓到的，屬于高頻引力波。但如果想研究質(zhì)量更大、距離更遙遠的天體，還需要去探測中低頻段的引力波信號。

“地面上無(wú)法探測低于10赫茲的引力波，而宇宙中存在著(zhù)大量的引力波源，覆蓋的頻段也最豐富。因此，到空間去探測引力波，就有望揭示更加繁復的天體物理過(guò)程?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)院大學(xué)副校長(cháng)、“太極一號”衛星工程首席科學(xué)家吳岳良說(shuō)。

吳岳良坦言，在空間探測引力波跟在地面上探測原理上并沒(méi)有什么不同。但由于引力波信號極其微弱，實(shí)施探測挑戰巨大，需要突破目前人類(lèi)精密測量和控制技術(shù)的極限。

“螞蟻推衛星”有多難？

空間引力波探測所涉及的核心技術(shù)包括高精度超穩激光干涉儀、引力參考傳感器、超高精度無(wú)拖曳控制、微牛級推進(jìn)器、超穩超靜衛星平臺等，而“太極一號”正是瞄準這一重大科技前沿，對這些核心技術(shù)的可行性和實(shí)現途徑進(jìn)行在軌驗證的一顆衛星。

“這顆星最難的就是新技術(shù)?！敝袊茖W(xué)院院士、“太極一號”衛星工程總師王建宇回憶，以引力參考傳感器為例，工程要求的測量精度需要達到地球重力加速度的百億分之一量級，相當于一只螞蟻推動(dòng)“太極一號”衛星產(chǎn)生的加速度?！爱敃r(shí)工程團隊的壓力非常大，為了屏蔽干擾，跑到山洞里去做實(shí)驗，最后終于啃下了這塊硬骨頭?！?/p>

第一階段在軌測試和數據分析結果表明，除了引力參考傳感器達到了“螞蟻推衛星”的精度外，“太極一號”激光干涉儀位移測量精度也達到百皮米量級，約為一個(gè)原子的直徑；微推進(jìn)器推力分辨率達到亞微牛量級，相當于一粒芝麻重量的萬(wàn)分之一。

就這樣，“太極一號”實(shí)現了我國迄今為止最高精度的空間激光干涉測量，成功進(jìn)行了我國首次在軌無(wú)拖曳控制技術(shù)試驗，并在國際上首次實(shí)現了微牛級射頻離子和雙?；魻栯娡七M(jìn)技術(shù)的在軌驗證。

“太極”，急不得

雖然“太極一號”科研團隊在不到一年的時(shí)間里，完成了從零到一的突破，但要真正實(shí)現到空間去探測引力波，前方的道路還很長(cháng)。

基于多年戰略研究，中科院從2008年開(kāi)始前瞻論證我國空間引力波探測的可行性，提出我國空間引力波探測“太極計劃”，確定了“單星、雙星、三星”“三步走”的發(fā)展戰略和路線(xiàn)圖。

2018年8月，中科院在空間科學(xué)先導專(zhuān)項（二期）中立項實(shí)施 “太極計劃”單星工程任務(wù)，啟動(dòng)了“三步走”中的第一步。

吳岳良告訴《中國科學(xué)報》，“三步走”的設計同時(shí)考慮了關(guān)鍵技術(shù)的成熟度和國際競爭時(shí)間表?！啊珮O二號’將對絕大部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行較高指標的在軌搭載驗證，而‘太極三號’將由三顆相距幾百萬(wàn)公里的衛星組成，真正開(kāi)始去探測各種引力波天體?！?/p>

“要最終在空間探測到引力波還任重道遠?！毕嗬锉笳f(shuō)，“但中科院將積極推動(dòng)這項工作，為探索浩瀚宇宙，為人類(lèi)文明進(jìn)步貢獻更多的中國智慧、中國方案、中國力量?！?/p>

雖然按照規劃，要到2033年左右，中國人才有望最終開(kāi)啟“引力宇宙”，但中國科學(xué)家的決心不容小覷。