空間引力波探測(cè)，中國(guó)來了

“太極一號(hào)”衛(wèi)星 

“我宣布，衛(wèi)星正式命名為‘太極一號(hào)’。”

近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心懷柔園區(qū)，隨著中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)相里斌的一聲宣告，中國(guó)空間引力波探測(cè)翻開了歷史性的一頁。

在成功發(fā)射20余天后，中國(guó)科學(xué)院宣布，其空間科學(xué)（二期）戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的首發(fā)星——微重力技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星狀態(tài)正常，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果正常，第一階段在軌測(cè)試任務(wù)順利完成。同時(shí)，該衛(wèi)星作為我國(guó)首顆空間引力波探測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星被正式命名為“太極一號(hào)”。

這也意味著，“太極一號(hào)”為我國(guó)邁出了空間引力波探測(cè)的第一步，也為我國(guó)在空間引力波探測(cè)領(lǐng)域率先取得突破奠定了基礎(chǔ)。

100年還沒走完的路

引力波是物質(zhì)和能量的劇烈運(yùn)動(dòng)和變化所產(chǎn)生的一種物質(zhì)波，它提供了有別于電磁波的一個(gè)全新的宇宙觀測(cè)窗口，是人類探索和認(rèn)識(shí)宇宙的新途徑、新手段。

1916年，愛因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。從此，探尋引力波成為科學(xué)家爭(zhēng)相奪取的科學(xué)皇冠上的“明珠”。

但直到100年后，美國(guó)地面激光干涉引力波天文臺(tái)LIGO實(shí)驗(yàn)組才宣布直接觀測(cè)到引力波，這項(xiàng)工作獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

然而，引力波這件事還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有畫上句號(hào)。跟電磁波一樣，引力波也有不同的頻率。而不同頻率引力波，反映的是宇宙不同時(shí)期和不同的天體物理過程。美國(guó)人在地面上用兩條4千米長(zhǎng)的“胳膊”抓到的，屬于高頻引力波。但如果想研究質(zhì)量更大、距離更遙遠(yuǎn)的天體，還需要去探測(cè)中低頻段的引力波信號(hào)。

“地面上無法探測(cè)低于10赫茲的引力波，而宇宙中存在著大量的引力波源，覆蓋的頻段也最豐富。因此，到空間去探測(cè)引力波，就有望揭示更加繁復(fù)的天體物理過程?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)副校長(zhǎng)、“太極一號(hào)”衛(wèi)星工程首席科學(xué)家吳岳良說。

吳岳良坦言，在空間探測(cè)引力波跟在地面上探測(cè)原理上并沒有什么不同。但由于引力波信號(hào)極其微弱，實(shí)施探測(cè)挑戰(zhàn)巨大，需要突破目前人類精密測(cè)量和控制技術(shù)的極限。

“螞蟻推衛(wèi)星”有多難？

空間引力波探測(cè)所涉及的核心技術(shù)包括高精度超穩(wěn)激光干涉儀、引力參考傳感器、超高精度無拖曳控制、微牛級(jí)推進(jìn)器、超穩(wěn)超靜衛(wèi)星平臺(tái)等，而“太極一號(hào)”正是瞄準(zhǔn)這一重大科技前沿，對(duì)這些核心技術(shù)的可行性和實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行在軌驗(yàn)證的一顆衛(wèi)星。

“這顆星最難的就是新技術(shù)。”中國(guó)科學(xué)院院士、“太極一號(hào)”衛(wèi)星工程總師王建宇回憶，以引力參考傳感器為例，工程要求的測(cè)量精度需要達(dá)到地球重力加速度的百億分之一量級(jí)，相當(dāng)于一只螞蟻推動(dòng)“太極一號(hào)”衛(wèi)星產(chǎn)生的加速度?！爱?dāng)時(shí)工程團(tuán)隊(duì)的壓力非常大，為了屏蔽干擾，跑到山洞里去做實(shí)驗(yàn)，最后終于啃下了這塊硬骨頭。”

第一階段在軌測(cè)試和數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，除了引力參考傳感器達(dá)到了“螞蟻推衛(wèi)星”的精度外，“太極一號(hào)”激光干涉儀位移測(cè)量精度也達(dá)到百皮米量級(jí)，約為一個(gè)原子的直徑；微推進(jìn)器推力分辨率達(dá)到亞微牛量級(jí)，相當(dāng)于一粒芝麻重量的萬分之一。

就這樣，“太極一號(hào)”實(shí)現(xiàn)了我國(guó)迄今為止最高精度的空間激光干涉測(cè)量，成功進(jìn)行了我國(guó)首次在軌無拖曳控制技術(shù)試驗(yàn)，并在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了微牛級(jí)射頻離子和雙?；魻栯娡七M(jìn)技術(shù)的在軌驗(yàn)證。

“太極”，急不得

雖然“太極一號(hào)”科研團(tuán)隊(duì)在不到一年的時(shí)間里，完成了從零到一的突破，但要真正實(shí)現(xiàn)到空間去探測(cè)引力波，前方的道路還很長(zhǎng)。

基于多年戰(zhàn)略研究，中科院從2008年開始前瞻論證我國(guó)空間引力波探測(cè)的可行性，提出我國(guó)空間引力波探測(cè)“太極計(jì)劃”，確定了“單星、雙星、三星”“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略和路線圖。

2018年8月，中科院在空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)（二期）中立項(xiàng)實(shí)施 “太極計(jì)劃”單星工程任務(wù)，啟動(dòng)了“三步走”中的第一步。

吳岳良告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“三步走”的設(shè)計(jì)同時(shí)考慮了關(guān)鍵技術(shù)的成熟度和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間表。“‘太極二號(hào)’將對(duì)絕大部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行較高指標(biāo)的在軌搭載驗(yàn)證，而‘太極三號(hào)’將由三顆相距幾百萬公里的衛(wèi)星組成，真正開始去探測(cè)各種引力波天體。”

“要最終在空間探測(cè)到引力波還任重道遠(yuǎn)?！毕嗬锉笳f，“但中科院將積極推動(dòng)這項(xiàng)工作，為探索浩瀚宇宙，為人類文明進(jìn)步貢獻(xiàn)更多的中國(guó)智慧、中國(guó)方案、中國(guó)力量?！?/p>

雖然按照規(guī)劃，要到2033年左右，中國(guó)人才有望最終開啟“引力宇宙”，但中國(guó)科學(xué)家的決心不容小覷。