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中国想在太空猎捕引力波,预期2033年发射三颗卫星

2018-05-23 15:00:10    澎湃新闻  参与评论()人

(原标题:中国在太空中猎捕引力波的旅程,将由一对双子星担当探路先锋)

澎湃新闻记者 虞涵棋

中国在太空中猎捕引力波的旅程,将由一对双子星担当探路先锋。中国科学院大学常务副校长、空间引力波探测项目“太极计划”首席科学家吴岳良院士近日在中科院理论物理研究所的一场报告中透露,项目计划在2020年到2025年发射“太极探路者号”试验双星系统,搭载空间引力波探测关键技术进行验证。

完成技术验证后,“太极计划”预期在2033年发射三颗卫星组成边长300万公里的等边三角形,在地球绕日轨道发射入轨后绕日运行,彼此形成6路干涉激光。

空间引力波探测和地面引力波探测的本质原理相同,只是不受地面噪音和地面距离的限制,能够探测质量和尺度更大的天体,视野也更深广。同时,卫星可以进行长时间、多角度的观测,更容易确定波源。“太极计划”将主要探测中等质量和大质量双黑洞并合。

“太极计划”由此得名:太极在道家文化中是宇宙的起源,而双黑洞并合的情景颇合太极之象。

双黑洞并合产生引力波

“太极计划”在国际上的合作者兼竞争者是由欧洲空间局(ESA)主导的LISA项目。其单颗技术验证卫星“LISA探路者号”已于2015年年底发射升空,并取得了超出预期的成功结果。

LISA项目三颗卫星的预期发射时间与“太极计划”接近。

聆听时空涟漪的方法

引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论。时间和空间在质量面前扭曲,时空在伸展和压缩的过程中,会产生振动传播开来,这些振动就是引力波。

2016年2月16日,在爱因斯坦提出广义相对论的百年纪念日上,激光干涉引力波观测台(LIGO)宣布成功探测到双黑洞并合产生的引力波,成为近年来的头号科学突破。领导LIGO的三位美国物理学家也毫无悬念地捧走了2017年的诺贝尔奖。

LIGO的本质是两臂等长4公里的L型真空管,引力波经过会微小地扭曲真空管中的时空,使两臂各自发射的激光出现光程差。

LIGO的本质是两臂等长4公里的L型真空管

不过,收到空间距离的限制和地球噪声的影响,地面激光干涉仪无法探测低于10赫兹的引力波,能研究的目标主要是小黑洞并合,且并合过程短暂,波源位置不易确定。

边长数百万公里的空间激光干涉卫星系统,相当于一个放大了几十万倍的LIGO。虽然两者探测的基本原理相同,但所涉及的关键技术却相当不同。吴岳良介绍道,空间引力波探测一是要保证测试质量的无拖曳运动,二是实现空间长基线(百万公里)的弱光干涉技术。

比如,卫星的激光测距系统需要精确到皮米(10^-12米,纳米的千分之一)级别,且控制载荷只受到引力波的影响。“这是人类能做到的精度极限。”吴岳良说道。

欧洲的“LISA探路者号”卫星完成了部分关键技术的验证。而“太极探路者号”则将首次实现双星系统试验。

“LISA探路者号”卫星

2016年来到日地第一拉格朗日点(卫星在该点上的轨道周期与地球公转周期一致)的“LISA探路者号”携带了两个质量2千克的金铂合金立方体,相隔距离38厘米。立方体受到卫星环境的保护,理论上只有引力波能扰动它们的自动落体同步性。“LISA探路者号”实验证明,对这种扰动的测量精度能够达到皮米级别。

此外,卫星上的微型推进器实现了高精度地调整卫星运动路线,以保证立方体能自由下落而不受干扰。1000个这样的推进器才能推动地面上的一张纸。

“LISA探路者号”卫星 欧洲空间局 图

虽然“LISA探路者号”的降噪精度超过了目标精度的5倍,令人喜出望外,但LISA项目本身却有些波折。

1990年代,欧洲空间局和美国国家航天航空局(NASA)开始合作发展LISA(激光干涉仪空间天线)项目。这也是目前国际上发展相对最成熟的空间引力波探测计划。

2011年,由于NASA的退出和欧洲经费的缩减,LISA演化为eLISA项目,从3颗卫星6路激光干涉削减为3颗卫星2路激光干涉。随后,欧空局邀请中国加入该项目,承担其中20%的经费。

2017年6月, LISA入选欧空局“宇宙观十年计划(2015-2025)”中最高的L级任务,经费上限10.5亿欧元。几乎同时,NASA宣布回归空间引力波探测,eLISA又重新回到了LISA项目。

LISA预期在2021年完成关键技术研究,争取在2030年左右发射卫星。

吴岳良对此表示,中科院始终保持着两条路线,在参与LISA每一次合作会议的同时,坚持探索自主的引力波空间探测计划。“太极计划”几乎覆盖LISA的引力波探测频段,且在中等质量双黑洞系统对应的频段比LISA具有更高的探测灵敏度。

“太极计划”卫星组平面与黄道面成60度夹角

“太极计划”将帮助科学家了解宇宙中第一代种子黑洞是否由暗物质形成,又是如何成长为大质量和超大质量黑洞的。同时,科学家能借此研究引力波的极化,探索引力的本质。

其他引力波探测计划

LIGO成功探测到引力波后,中国迅速跟进布局。目前,中国的引力波探测大致兵分三路。在“太极计划”之外,中山大学也提出了一个独立的空间引力波探测项目“天琴计划”。“天琴计划”同样是一个三星系统,位于距离地球约10万公里的地球轨道,组成边长约15万公里的三角形。

“太极计划”、LISA的太阳轨道(上)与“天琴计划”的地球轨道(下) Science杂志 图

吴岳良指出,“太极计划”在太阳轨道上运行,一是可避开地球重力梯度噪声的影响;二是卫星组平面与黄道面成60度夹角,使卫星始终面对太阳保持热辐射的稳定性,满足探测器温度变化控制在百万分之一的要求。

此外,中科院高能所正牵头在海拔5100米的西藏阿里建设原初引力波项目,聆听大爆炸后的宇宙初啼。一期望远镜预计在2020年开始观测。

国际上,美国和日本各自提出了“大爆炸观测者”和DECIGO计划,着重探测与地面和LISA之间的中频0.1-1.0赫兹引力波。不过,两者所要求的探测精度更高、经费更高,目前项目进展缓慢。

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