“抓捕”引力波“太极一号”在行动

文/ 杨诗瑞

2019年8月，我国首颗空间引力波探测技术实验卫星——“太极一号”发射成功，今年1月8日，该星被正式交付中国科学院大学。这是我国第一次开展的空间引力波探测技术实验，也是登顶国际空间引力波探测领域的科研高峰、抢占科技制高点的重要抓手，对助力我国基础科学取得重大突破具有重要意义。

探索“众妙之门”

发射“太极一号”是为了在宇宙空间中探测引力波。引力波是物质和能量剧烈运动和变化产生的一种物质波，它能够穿透电磁波不能穿透的地方，可以探测到基于电磁波无法观测到的宇观尺度和新的天体现象。引力波提供了遥远宇宙中关于黑洞和其它奇异天体的信息，将成为科学家进一步探索宇宙和发展科学理论的有力工具。

任何物质的加速运动都能产生引力波，但非常微弱。例如当质量为2000千克、长度为1米的哑铃以1000转/秒的角速度快速转动时，产生的引力波在距哑铃3米位置的振幅仅为10-35——即使目前最敏感的科学仪器也无法测量。

▲ 太极一号卫星成功发射

为此，科学家们想出了新的解决方案：通过质量更大的天体来观测引力波效应，如黑洞并合。然而，即使是黑洞这样质量巨大的天体，当并合产生的引力波信号穿越茫茫宇宙抵达地球时，也是极其微弱的。直到2015年，美国激光干涉引力波观测台（LIGO）观测到了距地球约13亿光年的一次双黑洞并合事件产生的引力波，并以此获得2017年诺贝尔物理学奖。

LIGO之前，国外已有十几个地面引力波探测计划，但由于技术难度和花费很大，只有少数能坚持下来。目前尚有意大利和德国建有引力波的地面探测装置，澳大利亚、印度和日本正在或计划研制类似的探测器，这些激光干涉仪一起构成的网络将能够精确定位引力波源。

那为什么还要去宇宙空间中探测引力波呢？

因为不同频率引力波反映了宇宙的不同时期和不同的天体物理过程，但受地球引力梯度的限制，地面上无法观测到频率低于1赫兹的引力波。空间探测则可以覆盖引力波最丰富的波源频段，能够发现质量更大、距离更远的波源，揭示更为丰富的天体物理过程，还可长期观测，有利于确定波源位置。欧空局的激光干涉空间天线计划（LISA）、日本的分赫兹干涉引力波天文台都是正在实施的空间探测引力波计划。

2008年，中科院开始论证我国空间引力波探测的可行性，并提出空间引力波探测“太极计划”，确定了“单星、双星、三星”三步走的发展战略和路线图，目标是实现人类历史上第一个空间引力波探测。2019年8月，我国首颗空间引力波探测技术实验卫星——微重力技术实验卫星太极一号发射成功，我国空间引力波探测从论证进入工程实施阶段，形成在空间探测引力波的技术能力，为探索浩瀚宇宙，推动人类文明进步贡献中国力量。

▲ 引力波

▲ “太极计划”示意图

科学抓捕“玄之又玄”的引力波

“太极计划”探测引力波频段覆盖了0.1赫兹至1.0赫兹，探测范围覆盖整个宇宙空间，研究对象囊括了由近到远、由小到大极为丰富的引力波源。

实施空间引力波探测挑战巨大，需要突破目前人类精密测量和控制技术的极限。那么怎样在空间测量引力波呢？根据引力波测量原理，引力波经过时会引起自由悬浮的两个测试质量之间的光程变化，科学家使用激光干涉仪来测量这个光程变化，从而反演引力波信号。

引力波信号极其微弱，由此带来两个问题，一是引力波引起的光程变化非常小，对激光干涉仪的测量精度要求极高；二是在太空中受太阳光压、太阳风等因素扰动，测试质量产生位移噪声，淹没引力波信号。对此，科学家将测试质量保护在卫星中心，使其处于自由漂移状态，避免与卫星的直接物理接触，从而消除扰动对探测的影响。

不仅如此，卫星扰动也有可能碰撞到测试质量，影响探测结果。对此，科学家利用位移传感器时刻监控卫星与测试质量之间的位移变化，将信号传递给安装在卫星上的微推进器，由微推进器产生准确稳定的推力，反向抵消卫星受到的外界扰动力，始终保持测试质量和卫星间的位移处于平衡状态。

所以，空间引力波探测需要突破高精度超稳激光干涉仪、引力参考传感器、超高精度无拖曳控制、微牛级推进器、超稳超静卫星平台等核心技术。“太极一号”正是瞄准这一重大科技前沿，对这些核心技术的可行性和实现途径进行在轨验证。第一阶段在轨测试和数据分析结果显示，“太极一号”的激光干涉仪位移测量精度达到百皮米量级，相当于一个原子直径大小；引力参考传感器测量精度达到地球重力加速度的百亿分之一量级，可以测出一只蚂蚁推动“太极一号”产生的加速度；微推进器推力分辨率达到亚微牛量级，可以精细调节一粒芝麻重量万分之一大小的推力。

如此苛刻的测量精度只为发现引力波的踪迹。“太极一号”实现我国科研领域最高精度的空间激光干涉测量，进行了我国首次在轨无拖曳控制技术实验，并在国际上首次实现微牛级射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证，为我国在空间引力波探测领域率先取得突破奠定基础，使我国成功迈出空间引力波探测的第一步。

▲ 太极一号卫星

“太极一号”的诞生与发展

2018年8月，“太极计划”单星工程任务在空间科学战略性先导科技专项中立项，正式启程实施。2019年8月，微重力技术实验卫星在酒泉发射中心搭乘快舟一号甲运载火箭发射升空，进入预定轨道，在9月按计划完成第一阶段在轨测试任务，并正式命名为“太极一号”。12月，“太极一号”圆满完成在轨测试实验任务，各项功能、性能指标满足研制总要求，成果超出预期，取得圆满成功。

不到一年时间，“太极一号”从无到有，突破人类精密测量和控制技术的极限，触摸宇宙律动“脉搏”。奇迹的诞生来自我国各领域的强强联合、厚积薄发，也来自“太极一号”科研团队的不懈奋斗和协同创新。

“太极计划”项目由中国科学院大学负责项目整体规划及协调，并承担“太极一号”科学应用系统研制和霍尔微推进系统等的研制任务。中科院微小卫星创新研究院此前完成了“悟空”“墨子”等卫星研制，此次再度迎难而上，联合中科院力学所、中科院长春光机所、中国科学院大学等院所不到一年时间完成“太极一号”研制；西安卫星测控中心、中科院国家空间科学中心等单位分别负责长期管理和地面支撑，在卫星在轨运行测试、业务规划运行等任务中发挥着重要作用。

目前“太极一号”已交付中国科学院大学使用，将用于对空间引力波探测、地球重力场反演、超高精度惯性导航等相关技术进行验证和研究。中国科学院大学整合多方研究力量和资源，共同进行技术攻关，将开展科学实验计划制订、拓展实验安排、科学实验数据处理、科学产品发布等“攻关”任务。

前路漫漫，“太极一号”刚刚迈出我国空间引力波探测的第一步，按照“太极计划”，我国将于2023年后发射“太极二号”双星，对绝大部分关键技术进行较高指标在轨搭载验证；2033年左右发射“太极三号”三星，探测各种引力波天体，认识引力宇宙。

一切才刚刚开始，空间引力波探测还要不断实现技术能力的突破，这将是一个漫长的过程。在现有技术基础上，激光干涉仪位移测量精度、微推进器推力精度还要提高一个量级，引力参考传感器测量精度还要提高6个量级。“太极计划”要实现对相距300万公里的两个测试质量之间十分之一个原子大小位移变化的精确测量，对扰动加速度需控制在亿亿分之一重力加速度的水平，还需要突破更核心的关键技术，不断走向科技更前沿。★

▲ 太极一号卫星核心测量设备引力参考传感器

▲ 研制团队工作现场

▲ 太极一号卫星在轨交付仪式现场