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空间引力波探测,中国来了

来源:《中国科学报》2019-09-23 09:24

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  “太极一号”卫星

  “我宣布,卫星正式命名为‘太极一号’。”

  9月20日,中国科学院国家空间科学中心怀柔园区,随着中国科学院副院长相里斌的一声宣告,中国空间引力波探测翻开了历史性的一页。

  在成功发射20余天后,中国科学院宣布,其空间科学(二期)战略性先导科技专项的首发星——微重力技术实验卫星状态正常,各项测试结果正常,第一阶段在轨测试任务顺利完成。同时,该卫星作为我国首颗空间引力波探测技术实验卫星被正式命名为“太极一号”。

  这也意味着,“太极一号”为我国迈出了空间引力波探测的第一步,也为我国在空间引力波探测领域率先取得突破奠定了基础。

  100年还没走完的路

  引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波,它提供了有别于电磁波的一个全新的宇宙观测窗口,是人类探索和认识宇宙的新途径、新手段。

  1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。从此,探寻引力波成为科学家争相夺取的科学皇冠上的“明珠”。

  但直到100年后,美国地面激光干涉引力波天文台LIGO实验组才宣布直接观测到引力波,这项工作获得了2017年诺贝尔物理学奖。

  然而,引力波这件事还远远没有画上句号。跟电磁波一样,引力波也有不同的频率。而不同频率引力波,反映的是宇宙不同时期和不同的天体物理过程。美国人在地面上用两条4千米长的“胳膊”抓到的,属于高频引力波。但如果想研究质量更大、距离更遥远的天体,还需要去探测中低频段的引力波信号。

  “地面上无法探测低于10赫兹的引力波,而宇宙中存在着大量的引力波源,覆盖的频段也最丰富。因此,到空间去探测引力波,就有望揭示更加繁复的天体物理过程。”中国科学院院士、中国科学院大学副校长、“太极一号”卫星工程首席科学家吴岳良说。

  吴岳良坦言,在空间探测引力波跟在地面上探测原理上并没有什么不同。但由于引力波信号极其微弱,实施探测挑战巨大,需要突破目前人类精密测量和控制技术的极限。

  “蚂蚁推卫星”有多难?

  空间引力波探测所涉及的核心技术包括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,而“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的一颗卫星。

  “这颗星最难的就是新技术。”中国科学院院士、“太极一号”卫星工程总师王建宇回忆,以引力参考传感器为例,工程要求的测量精度需要达到地球重力加速度的百亿分之一量级,相当于一只蚂蚁推动“太极一号”卫星产生的加速度。“当时工程团队的压力非常大,为了屏蔽干扰,跑到山洞里去做实验,最后终于啃下了这块硬骨头。”

  第一阶段在轨测试和数据分析结果表明,除了引力参考传感器达到了“蚂蚁推卫星”的精度外,“太极一号”激光干涉仪位移测量精度也达到百皮米量级,约为一个原子的直径;微推进器推力分辨率达到亚微牛量级,相当于一粒芝麻重量的万分之一。

  就这样,“太极一号”实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量,成功进行了我国首次在轨无拖曳控制技术试验,并在国际上首次实现了微牛级射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证。

  “太极”,急不得

  虽然“太极一号”科研团队在不到一年的时间里,完成了从零到一的突破,但要真正实现到空间去探测引力波,前方的道路还很长。

  基于多年战略研究,中科院从2008年开始前瞻论证我国空间引力波探测的可行性,提出我国空间引力波探测“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。

  2018年8月,中科院在空间科学先导专项(二期)中立项实施 “太极计划”单星工程任务,启动了“三步走”中的第一步。

  吴岳良告诉《中国科学报》,“三步走”的设计同时考虑了关键技术的成熟度和国际竞争时间表。“‘太极二号’将对绝大部分关键技术进行较高指标的在轨搭载验证,而‘太极三号’将由三颗相距几百万公里的卫星组成,真正开始去探测各种引力波天体。”

  “要最终在空间探测到引力波还任重道远。”相里斌说,“但中科院将积极推动这项工作,为探索浩瀚宇宙,为人类文明进步贡献更多的中国智慧、中国方案、中国力量。”

  虽然按照规划,要到2033年左右,中国人才有望最终开启“引力宇宙”,但中国科学家的决心不容小觑。(记者 丁佳

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