浩瀚太空中，探测神秘“引力波”

中国科学院力学研究所引力波实验中心 罗子人

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。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。2017年诺贝尔物理学奖颁发给了这项工作。

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。地面的激光干涉引力波天文台受地面噪声、干涉仪尺度和波源强度的限制,探测频段在十赫兹以上。而中低频引力波源,有更深刻的宇宙学和天文学意义。

对这个频段的引力波进行探测和研究,将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;为精确检验引力理论,研究早期宇宙、大统一场论及宇宙演化,研究银河系演化发展提供无法替代的信息。探测此频段的波源需要摆脱地面噪声和地面实验尺度的限制,在太空实现百万公里臂长的精密激光干涉测量。

由于科学目标及所需的测量环境不同,空间引力波探测和地面引力波探测的关键技术组成和实现难度也不一样。

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、通信和对钟等,通过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,很容易把引力波信号淹没掉。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。

实际上,国外在上世纪八十年代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LISA计划。因技术难度极大,2015年发射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。

我国科学家从2008年开始启动中国空间引力波探测计划的研究,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,“太极一号”通过北斗导航系统以及星载引力参考传感器的测量数据,获得我国首个自主完成的月平均全球重力场数据产品,实现全球重力场前20阶球谐函数势的精密测量,支撑我国地球科学、大地测绘研究。

因此,通过开展空间引力波探测,还可全面推动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各方面技术的成熟,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、以及促进未来的前沿空间科学实验等都具有重要的意义。