引力波成为探秘“黑洞”的一把钥匙

文／罗子人

在日前召开的空间激光干涉引力波天线第十四届国际年会上，笔者受邀作“空间引力波探测太极计划及其进展”特邀报告，向世界展示了中国科学院力学研究所最新研制的全功能空间引力波探测激光干涉仪原理样机。

从2008年开始，我国科学家启动了中国空间引力波探测计划研究，由中科院牵头组织全国优势力量成立论证组，2016年形成了基于日心轨道方案的“太极计划”和基于地心轨道方案的“天琴计划”，并于2019年先后发射了“太极一号”和“天琴一号”技术实验卫星，迅速缩小了与国外的差距。在顺利完成空间引力波探测关键技术验证任务的基础上，通过北斗导航系统，以及星载引力参考传感器的测量数据，“太极一号”获得我国首个自主完成的月平均全球重力场数据产品，实现了全球重力场前20阶球谐函数势的精密测量，支撑了我国地球科学和大地测绘研究。

2015年，美国激光干涉引力波天文台在地面首次直接观测到双黑洞并合产生的引力波信号。2017年，这项研究工作被授予诺贝尔物理学奖。

引力波的发现是对爱因斯坦广义相对论所作预言的直接验证，为开启引力波物理学和引力波天文学的新纪元奠定了基础。爱因斯坦的广义相对论告诉我们，有质量的物体会让我们的四维时空产生弯曲。举个形象的比喻，如果把四维时空看成一个橡皮膜，往上面放一个小铁球，它就会让橡皮膜向下凹陷产生弯曲。小球质量越大，橡皮膜弯曲的程度就越大。当有两颗小球互相绕着转的时候，它们就会扰动周围的时空，使得时空的弯曲状态一直变化，并且这种时空弯曲的变化还会像水波一样向外传播，这就是引力波。我们把引力波称为时空的涟漪。

引力波具有非常宽广的频段。不同频率的引力波对应宇宙演化的不同时期和不同的天体物理过程，相应的科学目标也不相同。安装在地上的引力波天文台受地面噪声、干涉仪尺度和波源强度的限制，探测频段在10赫兹以上。而中低频引力波源有更深刻的宇宙学和天文学意义，有望直接观测到百万太阳质量的超大黑洞，揭示超大黑洞的起源和演化，描绘出宇宙大尺度结构形成的历史过程，提供黑洞附近强引力场的精细结构，获得致密天体在银河系内的分布图景。

空间引力波探测器由三颗卫星组成，形成正三角形飞行编队，可在保持轨道稳定的同时较好地响应引力波的偏振特性。每颗卫星携带两个测试质量，激光在测试质量间传播，建立起两两卫星间的激光干涉链路。当引力波经过时，测试质量间的光程发生变化，通过激光干涉信号读出。

三颗卫星在发射进入预定轨道后，需先通过星间激光捕获技术使三颗卫星获得相互间精确的方位信息，然后通过星间激光跟瞄技术让三颗卫星通过激光进行相互精确的瞄准，建立起稳定的激光干涉链路，同时还需建立辅助干涉仪进行百万千米星间测距、通信、对钟等，以延时数据处理方法来消除激光频率噪声和超稳时钟的噪声，这就形成星间激光干涉测距系统。

如果测试质量暴露在外太空，受到太阳光压、太阳风或者其他宇宙射线的扰动，测试质量就会产生扰动加速度，从而产生位移噪声，很容易将引力波信号淹没。科研人员巧妙地通过位移传感器，实时读出卫星和测试质量之间的位移变化，反馈给安装在卫星上的微推进器。微推进器产生准确且稳定的推力，将卫星受到的外界扰动力补偿掉，始终保持测试质量和卫星间的位移处于平衡状态。

在20世纪80年代，国外便开始布局空间引力波探测，目前最成熟的计划为欧空局主导、美国宇航局参加的空间天线激光干涉仪（LISA）计划。因技术难度极大，2015年发射的LISA探路者卫星进行部分关键技术验证，2017年LISA被纳入欧空局旗舰项目，计划2030年发射。

开展空间引力波探测，可全面促进我国空间高精度引力参考传感器、星间超高精度激光干涉测量、高精度卫星编队、超稳超静卫星平台等方面技术的成熟，带动一系列对国民经济和国家战略需求有重要价值的关键技术的发展，对于全球重力场测绘、建立高精度全球时空坐标体系、对地观测、大地测量、资源勘探、自主导航，以及促进未来前沿空间科学实验等具有重要意义。