胡文瑞

（中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190）

2016年2月12日，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)聯(lián)合宣布，2015年9月14日在美國(guó)的兩個(gè)地面站同時(shí)觀測(cè)到引力波，即GW150914事件。至今已觀測(cè)到6次引力波事件，其中歐洲引力波天文臺(tái)（VIRGO）參加了第4次事件（GW170814），使分辨率提高了10倍。地面引力波探測(cè)的成果不僅驗(yàn)證了百年前廣義相對(duì)論所預(yù)言的引力波，發(fā)展了理論物理的引力理論，而且開(kāi)辟了引力波天文學(xué)的新領(lǐng)域。

空間引力波探測(cè)是在低頻波段探測(cè)引力波，它對(duì)應(yīng)于大質(zhì)量的擾動(dòng)事件，因此比地面引力波探測(cè)更具豐富的物理內(nèi)涵。1993年，歐洲空間局（ESA）提出激光干涉空間天線（LISA）計(jì)劃，即在太陽(yáng)軌道（地球軌道前20°）布置3個(gè)間距為5×106km的呈正三角形的航天器，星載激光器精確測(cè)量航天器間距的變化，從而反演出引力波的存在。LISA計(jì)劃已列為ESA的第3號(hào)大型空間任務(wù)，計(jì)劃2034年升空。1997年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）參加LISA計(jì)劃，2011年退出，后又在2017年重新參與。美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）對(duì)空間引力波探測(cè)予以高度評(píng)價(jià)。空間引力波探測(cè)目前的國(guó)際態(tài)勢(shì)是，歐美聯(lián)合與中國(guó)競(jìng)爭(zhēng)。美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）對(duì)空間引力波探測(cè)予以高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為這是很快會(huì)獲得諾貝爾獎(jiǎng)?lì)惖捻?xiàng)目。

空間引力波探測(cè)在中國(guó)受到多方面的關(guān)注?？萍疾坑?016年6月成立了“引力波研究專家委員會(huì)”，為中國(guó)引力波的發(fā)展制訂藍(lán)圖。中國(guó)科學(xué)院2008年始部署了引力波的探索，2015年啟動(dòng)了包括空間引力波探測(cè)“太極計(jì)劃”在內(nèi)的先導(dǎo)項(xiàng)目研究；目前，中國(guó)科學(xué)院正在安排空間引力波探測(cè)的預(yù)研星計(jì)劃。

“太極計(jì)劃”選擇太陽(yáng)軌道3顆星的激光測(cè)距方案。近年來(lái)，中山大學(xué)提出的“天琴計(jì)劃”是在地球周圍布置3顆激光測(cè)距衛(wèi)星。2018年4月1日中央電視臺(tái)《新聞聯(lián)播》中，天琴計(jì)劃的負(fù)責(zé)人介紹了他們選擇的地球軌道空間引力波探測(cè)方案。這一方案早在2011年NASA的《Gravitational-wave mission concept study final report》中已有詳細(xì)討論，歸納起來(lái)，它有如下困難。

1）在考慮月球、木星及其他天體的影響后，地球軌道的方案采用等邊三角形編隊(duì)（臂長(zhǎng)包括7.3萬(wàn)km、67萬(wàn)km和100萬(wàn)km），其星間相對(duì)速度引起的多普勒頻移很可能大于50 MHz，這對(duì)相位計(jì)、探測(cè)器的帶寬提出了更高要求；然而，對(duì)于探測(cè)器和相位計(jì)而言，帶寬越寬，噪聲就越大。

2）地球軌道方案的軌道運(yùn)動(dòng)會(huì)引起溫度變化。采用等邊三角形繞地球飛行的軌道，航天器對(duì)太陽(yáng)的朝向時(shí)常在變化，因此引起的航天器溫度漲落會(huì)非常大，在毫赫茲頻段溫度變化約比太陽(yáng)軌道高兩個(gè)量級(jí)以上，這對(duì)載荷附近溫控提出了很高的要求。

3）地球軌道方案的太陽(yáng)陰影問(wèn)題對(duì)航天器與望遠(yuǎn)鏡性能造成很大影響。航天器在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)時(shí)而進(jìn)入太陽(yáng)陰影，時(shí)而又受到太陽(yáng)照射。處在太陽(yáng)陰影與太陽(yáng)照射狀態(tài)相比，航天器的溫差高達(dá)300℃以上，這對(duì)航天器穩(wěn)定結(jié)構(gòu)提出了很高的要求。因?yàn)闇囟茸兓瘯?huì)引起航天器結(jié)構(gòu)形變和應(yīng)力形變，從而改變航天器質(zhì)心狀態(tài)，直接導(dǎo)致慣性傳感器無(wú)法正常工作。劇烈溫度變化造成的另一個(gè)問(wèn)題是望遠(yuǎn)鏡的性能下降甚至完全失效，因?yàn)樗鼤?huì)引起望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)形變、鏡面形變，從而影響望遠(yuǎn)鏡出射光及接受光的波前質(zhì)量。望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)形變會(huì)使得接受光的波前不再光滑，將直接導(dǎo)致差分波前傳感技術(shù)的失效。

4）地球軌道方案的太陽(yáng)陰影問(wèn)題使得科學(xué)測(cè)量時(shí)間不連續(xù)。按照天琴計(jì)劃的方案，其連續(xù)科學(xué)工作時(shí)間為3個(gè)月，兩個(gè)測(cè)量周期的間隔也是3個(gè)月。與1年積分時(shí)間相比，其獲得的信噪比減半。然而，在天琴計(jì)劃最新的文章《Fundamentals of the orbit and response for Tianqin》中，在計(jì)算時(shí)默認(rèn)了1年積分時(shí)間。

一般認(rèn)為，空間引力波探測(cè)選用太陽(yáng)軌道是最好的方案，而地球軌道的方案風(fēng)險(xiǎn)極大。中國(guó)的空間引力波探測(cè)處在學(xué)術(shù)與技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)酷的環(huán)境中，需要盡早確定路線方案，盡快協(xié)調(diào)國(guó)內(nèi)各方的優(yōu)勢(shì)力量聯(lián)合攻關(guān)，加強(qiáng)國(guó)際合作，“以我為主”地做出重大學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)。

——摘自《科技導(dǎo)報(bào)》2018年第12期