文／羅子人

在日前召開的空間激光干涉引力波天線第十四屆國際年會上，筆者受邀作“空間引力波探測太極計劃及其進展”特邀報告，向世界展示了中國科學(xué)院力學(xué)研究所最新研制的全功能空間引力波探測激光干涉儀原理樣機。

從2008年開始，我國科學(xué)家啟動了中國空間引力波探測計劃研究，由中科院牽頭組織全國優(yōu)勢力量成立論證組，2016年形成了基于日心軌道方案的“太極計劃”和基于地心軌道方案的“天琴計劃”，并于2019年先后發(fā)射了“太極一號”和“天琴一號”技術(shù)實驗衛(wèi)星，迅速縮小了與國外的差距。在順利完成空間引力波探測關(guān)鍵技術(shù)驗證任務(wù)的基礎(chǔ)上，通過北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，以及星載引力參考傳感器的測量數(shù)據(jù)，“太極一號”獲得我國首個自主完成的月平均全球重力場數(shù)據(jù)產(chǎn)品，實現(xiàn)了全球重力場前20階球諧函數(shù)勢的精密測量，支撐了我國地球科學(xué)和大地測繪研究。

2015年，美國激光干涉引力波天文臺在地面首次直接觀測到雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波信號。2017年，這項研究工作被授予諾貝爾物理學(xué)獎。

引力波的發(fā)現(xiàn)是對愛因斯坦廣義相對論所作預(yù)言的直接驗證，為開啟引力波物理學(xué)和引力波天文學(xué)的新紀元奠定了基礎(chǔ)。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，有質(zhì)量的物體會讓我們的四維時空產(chǎn)生彎曲。舉個形象的比喻，如果把四維時空看成一個橡皮膜，往上面放一個小鐵球，它就會讓橡皮膜向下凹陷產(chǎn)生彎曲。小球質(zhì)量越大，橡皮膜彎曲的程度就越大。當(dāng)有兩顆小球互相繞著轉(zhuǎn)的時候，它們就會擾動周圍的時空，使得時空的彎曲狀態(tài)一直變化，并且這種時空彎曲的變化還會像水波一樣向外傳播，這就是引力波。我們把引力波稱為時空的漣漪。

引力波具有非常寬廣的頻段。不同頻率的引力波對應(yīng)宇宙演化的不同時期和不同的天體物理過程，相應(yīng)的科學(xué)目標也不相同。安裝在地上的引力波天文臺受地面噪聲、干涉儀尺度和波源強度的限制，探測頻段在10赫茲以上。而中低頻引力波源有更深刻的宇宙學(xué)和天文學(xué)意義，有望直接觀測到百萬太陽質(zhì)量的超大黑洞，揭示超大黑洞的起源和演化，描繪出宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成的歷史過程，提供黑洞附近強引力場的精細結(jié)構(gòu)，獲得致密天體在銀河系內(nèi)的分布圖景。

空間引力波探測器由三顆衛(wèi)星組成，形成正三角形飛行編隊，可在保持軌道穩(wěn)定的同時較好地響應(yīng)引力波的偏振特性。每顆衛(wèi)星攜帶兩個測試質(zhì)量，激光在測試質(zhì)量間傳播，建立起兩兩衛(wèi)星間的激光干涉鏈路。當(dāng)引力波經(jīng)過時，測試質(zhì)量間的光程發(fā)生變化，通過激光干涉信號讀出。

三顆衛(wèi)星在發(fā)射進入預(yù)定軌道后，需先通過星間激光捕獲技術(shù)使三顆衛(wèi)星獲得相互間精確的方位信息，然后通過星間激光跟瞄技術(shù)讓三顆衛(wèi)星通過激光進行相互精確的瞄準，建立起穩(wěn)定的激光干涉鏈路，同時還需建立輔助干涉儀進行百萬千米星間測距、通信、對鐘等，以延時數(shù)據(jù)處理方法來消除激光頻率噪聲和超穩(wěn)時鐘的噪聲，這就形成星間激光干涉測距系統(tǒng)。

如果測試質(zhì)量暴露在外太空，受到太陽光壓、太陽風(fēng)或者其他宇宙射線的擾動，測試質(zhì)量就會產(chǎn)生擾動加速度，從而產(chǎn)生位移噪聲，很容易將引力波信號淹沒?？蒲腥藛T巧妙地通過位移傳感器，實時讀出衛(wèi)星和測試質(zhì)量之間的位移變化，反饋給安裝在衛(wèi)星上的微推進器。微推進器產(chǎn)生準確且穩(wěn)定的推力，將衛(wèi)星受到的外界擾動力補償?shù)?，始終保持測試質(zhì)量和衛(wèi)星間的位移處于平衡狀態(tài)。

在20世紀80年代，國外便開始布局空間引力波探測，目前最成熟的計劃為歐空局主導(dǎo)、美國宇航局參加的空間天線激光干涉儀（LISA）計劃。因技術(shù)難度極大，2015年發(fā)射的LISA探路者衛(wèi)星進行部分關(guān)鍵技術(shù)驗證，2017年LISA被納入歐空局旗艦項目，計劃2030年發(fā)射。

開展空間引力波探測，可全面促進我國空間高精度引力參考傳感器、星間超高精度激光干涉測量、高精度衛(wèi)星編隊、超穩(wěn)超靜衛(wèi)星平臺等方面技術(shù)的成熟，帶動一系列對國民經(jīng)濟和國家戰(zhàn)略需求有重要價值的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，對于全球重力場測繪、建立高精度全球時空坐標體系、對地觀測、大地測量、資源勘探、自主導(dǎo)航，以及促進未來前沿空間科學(xué)實驗等具有重要意義。