空間引力波探測 中國來了


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

這也意味著,“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域率先取得突破奠定了基礎。

100年還沒走完的路

引力波是物質和能量的劇烈運動和變化所產生的一種物質波,它提供了有別於電磁波的一個全新的宇宙觀測窗口,是人類探索和認識宇宙的新途徑、新手段。

1916年,愛因斯坦基於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家爭相奪取的科學皇冠上的“明珠”。

但直到100年後,美國地面激光干涉引力波天文台LIGO實驗組才宣布直接觀測到引力波,這項工作獲得了2017年諾貝爾物理學獎。

然而,引力波這件事還遠遠沒有畫上句號。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期和不同的天體物理過程。美國人在地面上用兩條4千米長的“胳膊”抓到的,屬於高頻引力波。但如果想研究質量更大、距離更遙遠的天體,還需要去探測中低頻段的引力波信號。

“地面上無法探測低於10赫茲的引力波,而宇宙中存在著大量的引力波源,覆蓋的頻段也最豐富。因此,到空間去探測引力波,就有望揭示更加繁複的天體物理過程。”中國科學院院士、中國科學院大學副校長、“太極一號”衛星工程首席科學家吳岳良說。

吳岳良坦言,在空間探測引力波跟在地面上探測原理上並沒有什麼不同。但由於引力波信號極其微弱,實施探測挑戰巨大,需要突破目前人類精密測量和控制技術的極限。

“螞蟻推衛星”有多難?

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

“這顆星最難的就是新技術。”中國科學院院士、“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,相當於一隻螞蟻推動“太極一號”衛星產生的加速度。 “當時工程團隊的壓力非常大,為了屏蔽干擾,跑到山洞裡去做實驗,最後終於啃下了這塊硬骨頭。”

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,約為一個原子的直徑;微推進器推力分辨率達到亞微牛量級,相當於一粒芝麻重量的萬分之一。

就這樣,“太極一號”實現了我國迄今為止最高精度的空間激光干涉測量,成功進行了我國首次在軌無拖曳控制技術試驗,並在國際上首次實現了微牛級射頻離子和雙模霍爾電推進技術的在軌驗證。

“太極”,急不得

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

基於多年戰略研究,中科院從2008年開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”的發展戰略和路線圖。

2018年8月,中科院在空間科學先導專項(二期)中立項實施 “太極計劃”單星工程任務,啟動了“三步走”中的第一步。

吳岳良告訴《中國科學報》,“三步走”的設計同時考慮了關鍵技術的成熟度和國際競爭時間表。 “'太極二號'將對絕大部分關鍵技術進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公里的衛星組成,真正開始去探測各種引力波天體。”

“要最終在空間探測到引力波還任重道遠。”相裡斌說,“但中科院將積極推動這項工作,為探索浩瀚宇宙,為人類文明進步貢獻更多的中國智慧、中國方案、中國力量。 ”

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

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