空間引力波探測，中國來了

“太極一號”衛(wèi)星 

“我宣布，衛(wèi)星正式命名為‘太極一號’。”

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

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(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的首發(fā)星——微重力技術(shù)實驗衛(wèi)星狀態(tài)正常，各項測試結(jié)果正常，第一階段在軌測試任務(wù)順利完成。同時，該衛(wèi)星作為我國首顆空間引力波探測技術(shù)實驗衛(wèi)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(lǐng)域率先取得突破奠定了基礎(chǔ)。

100年還沒走完的路

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

1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)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(xué)獎。

然而，引力波這件事還遠(yuǎn)遠(yuǎn)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，屬于高頻引力波。但如果想研究質(zhì)量更大、距離更遙遠(yuǎn)的天體，還需要去探測中低頻段的引力波信號。

“地面上無法探測低于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，就有望揭示更加繁復(fù)的天體物理過程。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院大學(xué)副校長、“太極一號”衛(wèi)星工程首席科學(xué)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并沒有什么不同。但由于引力波信號極其微弱，實施探測挑戰(zhàn)巨大，需要突破目前人類精密測量和控制技術(shù)的極限。

“螞蟻推衛(wèi)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(wěn)激光干涉儀、引力參考傳感器、超高精度無拖曳控制、微牛級推進器、超穩(wěn)超靜衛(wèi)星平臺等，而“太極一號”正是瞄準(zhǔn)這一重大科技前沿，對這些核心技術(shù)的可行性和實現(xiàn)途徑進行在軌驗證的一顆衛(wèi)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(wèi)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(dá)到地球重力加速度的百億分之一量級，相當(dāng)于一只螞蟻推動“太極一號”衛(wèi)星產(chǎn)生的加速度?！爱?dāng)時工程團隊的壓力非常大，為了屏蔽干擾，跑到山洞里去做實驗，最后終于啃下了這塊硬骨頭?！?/p>

第一階段在軌測試和數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，除了引力參考傳感器達(dá)到了“螞蟻推衛(wèi)星”的精度外，“太極一號”激光干涉儀位移測量精度也達(dá)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(dá)到亞微牛量級，相當(dāng)于一粒芝麻重量的萬分之一。

就這樣，“太極一號”實現(xiàn)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(shù)試驗，并在國際上首次實現(xiàn)了微牛級射頻離子和雙模霍爾電推進技術(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間里，完成了從零到一的突破，但要真正實現(xiàn)到空間去探測引力波，前方的道路還很長。

基于多年戰(zhàn)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(fā)展戰(zhàn)略和路線圖。

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

吳岳良告訴《中國科學(xué)報》，“三步走”的設(shè)計同時考慮了關(guān)鍵技術(shù)的成熟度和國際競爭時間表?！啊珮O二號’將對絕大部分關(guān)鍵技術(shù)進行較高指標(biāo)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(wèi)星組成，真正開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(yuǎn)?！毕嗬锉笳f，“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(xiàn)更多的中國智慧、中國方案、中國力量?！?/p>

雖然按照規(guī)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(xué)家的決心不容小覷。