“太極一號”模擬圖。 (資料圖片)
“太極一號”衛(wèi)星工程總師王建宇(左)向記者介紹“太極一號”。記者 沈 慧
求索未知宇宙，逐鹿空間引力波探測。前不久，中國科學(xué)院空間科學(xué)(二期)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項首發(fā)星——微重力技術(shù)實驗衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，為我國在空間引力波探測領(lǐng)域率先取得突破奠定了基礎(chǔ)。
作為我國首顆空間引力波探測技術(shù)實驗衛(wèi)星，近日成功發(fā)射的微重力技術(shù)實驗衛(wèi)星被正式命名為“太極一號”。為何要去遙遠(yuǎn)太空觸摸宇宙律動的“脈搏”?“太極一號”有何亮點，目前運行情況如何?聽聽專家怎么說。
時空漣漪
如果盤點近年來科學(xué)研究的熱點，引力波是其中一個。2012年，科學(xué)家在大型強子對撞機(jī)實驗中發(fā)現(xiàn)神秘的上帝粒子，這表明人類對基本粒子的認(rèn)識邁出了新的一步。至此，粒子標(biāo)準(zhǔn)物理模型所預(yù)言的61種基本粒子幾乎都已找到，除了目前唯一的例外——引力子?？茖W(xué)家們認(rèn)為，引力波是由引力子組成的，引力子則是證明宇宙大爆炸起源的關(guān)鍵。
目前，人類可見物質(zhì)僅占宇宙總量的不足5%，即粒子標(biāo)準(zhǔn)物理模型能解釋的物質(zhì);95%以上是至今仍籠罩著神秘面紗的暗物質(zhì)和暗能量。“暗”顧名思義“看不見”，也無法對光和目前的探測手段——電磁波產(chǎn)生任何反應(yīng)。但引力波或是揭開人類未知世界進(jìn)而理解宇宙起源的關(guān)鍵，因為暗物質(zhì)和暗能量都涉及引力效應(yīng)和引力作用。
簡而言之，“引力波提供了不同于電磁波的全新觀測宇宙重要窗口，成為人類探索和認(rèn)知宇宙的一種新途徑和工具”。中國科學(xué)院副院長相里斌表示。
什么是引力波?它是物質(zhì)和能量劇烈運動和變化所產(chǎn)生的一種物質(zhì)波。如果以水面來比喻時空，引力波就可以看作是時空的漣漪。
愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)言了引力波的存在。2016年2月，美國激光干涉引力波天文臺宣布，LIGO(激光干涉儀)探測器觀測到了引力波發(fā)出的撞擊聲，人類由此第一次聽到了來自外太空的問候——雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波。
“引力波的發(fā)現(xiàn)使得人類可探測到基于電磁波無法觀測到的宇觀尺度和新的天體現(xiàn)象。”“太極一號”首席科學(xué)家、中國科學(xué)院大學(xué)副校長吳岳良說。
探測挑戰(zhàn)
征服星辰大海，注定坎坷難行。日常生活中，任何物質(zhì)的加速運動都能產(chǎn)生引力波，但非常微弱。吳岳良表示，如果用每秒1000轉(zhuǎn)的角速度快速轉(zhuǎn)動一個質(zhì)量為2000公斤、長度為1米的啞鈴，那么在離啞鈴3米遠(yuǎn)處，我們能感受到的引力波振幅僅為10的負(fù)35次方——小到目前人類最敏感的科學(xué)儀器都測量不到。
后來，實驗物理學(xué)家們想到了一個解決方案：通過質(zhì)量更大的天體來觀測引力波效應(yīng)，比如黑洞并合等。然而，像黑洞這樣質(zhì)量巨大天體融合產(chǎn)生的引力波信號穿越茫茫宇宙抵達(dá)地球時，已是極其微弱。吳岳良舉了個例子，兩顆1.5倍太陽質(zhì)量的中子星以每秒1000轉(zhuǎn)的速率繞轉(zhuǎn)并合產(chǎn)生的引力波，在距離10的23次方米的位置能探測到的引力波強度為10的負(fù)20次方。
困難阻擋不住人類探索宇宙的決心。上世紀(jì)90年代，美國航空航天局與歐洲航天局合作發(fā)展LISA項目，計劃探測的引力波源是雙星系、超致密雙星以及大質(zhì)量天體的爆炸等。這是全球發(fā)展最成熟的空間引力波探測計劃，將于2021年完成關(guān)鍵技術(shù)研究，2034年發(fā)射衛(wèi)星。
人類已在地球表面直接探測到時空的漣漪，為何還要大費周章踏上去太空的征程?“空間引力波探測的波源特征所對應(yīng)的天體質(zhì)量和尺度，遠(yuǎn)大于地基引力波探測所對應(yīng)的天體源。”吳岳良告訴經(jīng)濟(jì)日報記者，與地基探測不同，在空間能夠探測到中低頻段的引力波信號，能夠發(fā)現(xiàn)天體質(zhì)量更大、距離更遙遠(yuǎn)的引力波波源，揭示更為豐富的天體物理過程。
“空間探測所覆蓋的是引力波波源最為豐富的頻段，擁有大量可保證探測到的天體波源，可進(jìn)行長時間觀測，有利于確定波源位置。”吳岳良進(jìn)一步解釋。
中國智慧
探索浩瀚宇宙，為人類文明進(jìn)步貢獻(xiàn)更多中國智慧、中國方案和中國力量，中國亦在行動。2008年開始論證的空間引力波探測“太極計劃”便是一個代表。
按照吳岳良的說法，不同頻率引力波反映了宇宙的不同時期與不同的天體物理過程。“太極計劃”探測頻段基本覆蓋歐空局LISA引力波探測頻段(0.1赫茲至1.0赫茲)，并在0.01赫茲至1.0赫茲頻段比LISA具有更高的探測靈敏度。我國空間引力波探測研究對象囊括了由近到遠(yuǎn)、由小到大極為豐富的引力波源，探測范圍可以覆蓋整個宇宙空間。
由于引力波信號極其微弱，實施空間引力波探測挑戰(zhàn)巨大，需要突破目前人類精密測量和控制技術(shù)的極限。這里面所涉及的核心技術(shù)包括高精度超穩(wěn)激光干涉儀、引力參考傳感器、微牛級推進(jìn)器、超穩(wěn)超靜衛(wèi)星平臺等。
根據(jù)“太極計劃”，我國確定了“單星、雙星、三星”“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略和路線圖，并于2018年8月立項實施“太極計劃”單星工程任務(wù)，啟動了“三步走”中的第一步：發(fā)射“太極一號”衛(wèi)星，對核心技術(shù)的可行性和實現(xiàn)途徑進(jìn)行在軌驗證，繼而形成在空間探測引力波的技術(shù)能力。
時光不負(fù)情深。“太極一號”科研團(tuán)隊全力以赴、攻堅克難、勇于突破、協(xié)同創(chuàng)新，在不到一年時間內(nèi)完成了衛(wèi)星研制任務(wù)。8月31日，我國首顆空間引力波探測技術(shù)實驗衛(wèi)星——微重力技術(shù)實驗衛(wèi)星“太極一號”成功發(fā)射。
“衛(wèi)星在軌測試正按計劃有序開展，目前衛(wèi)星狀態(tài)正常，第一階段在軌測試任務(wù)順利完成。”吳岳良介紹，我國成功邁出了空間引力波探測的第一步，實驗結(jié)果驗證了“太極計劃”技術(shù)路線的正確性和方案的可行性。
太極計劃
根據(jù)“太極一號”第一階段在軌測試和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，激光干涉儀位移測量精度達(dá)到百皮米量級，百皮米相當(dāng)于一個原子直徑的大小;引力參考傳感器測量精度達(dá)到地球重力加速度的百億分之一量級，這意味著可以測出一只螞蟻推動“太極一號”衛(wèi)星產(chǎn)生的加速度;微推進(jìn)器推力分辨率達(dá)到亞微牛量級，這表示可以精細(xì)調(diào)節(jié)一粒芝麻重量萬分之一大小的推力。
如此苛刻的測量精度只為發(fā)現(xiàn)引力波的蹤跡。按照引力波測量原理，引力波經(jīng)過時會引起自由懸浮的兩個測試質(zhì)量(理想情況下可以看成兩個質(zhì)點)之間的光程變化?？茖W(xué)家們正是通過激光干涉儀來測量這個光程變化，從而來反演引力波信號。
但由于引力波信號極其微弱，因此會帶來兩個問題：一是引力波引起的光程變化非常小，因而對激光干涉儀的測量精度提出了極高要求。二是如果測試質(zhì)量暴露在外太空，受到太陽光壓、太陽風(fēng)等因素擾動，測試質(zhì)量會產(chǎn)生擾動加速度，從而產(chǎn)生位移噪聲，很容易把引力波信號淹沒。因此，科學(xué)家們將測試質(zhì)量保護(hù)在衛(wèi)星中心，與衛(wèi)星沒有直接物理接觸，使其不受外界擾動，測試質(zhì)量就會處于自由漂移狀態(tài)。
但如此一來，外界擾動就會作用在衛(wèi)星上，使衛(wèi)星產(chǎn)生位移擾動，時間一長，衛(wèi)星與測試質(zhì)量會碰撞到一起。怎么辦?科學(xué)家們通過位移傳感器(電容位移傳感或者光傳感)時刻讀出衛(wèi)星和測試質(zhì)量之間的位移變化，反饋給安裝在衛(wèi)星上的微推進(jìn)器，微推進(jìn)器會產(chǎn)生準(zhǔn)確且穩(wěn)定的推力，將衛(wèi)星受到的外界擾動力補償?shù)?，從而始終保持測試質(zhì)量和衛(wèi)星間的位移處于平衡狀態(tài)。
“‘太極一號’實現(xiàn)了我國迄今為止最高精度的空間激光干涉測量，成功開展了我國首次在軌無拖曳控制技術(shù)試驗，并在國際上首次實現(xiàn)了微牛級射頻離子和雙?；魻栯娡七M(jìn)技術(shù)的在軌驗證，這為我國在空間引力波探測領(lǐng)域率先取得突破奠定了基礎(chǔ)。”中國科學(xué)院院士、“太極一號”衛(wèi)星工程總師王建宇表示。
一切才剛剛開始。根據(jù)王建宇的說法，要達(dá)到空間引力波探測的技術(shù)條件可能還需要10年。比如，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，激光干涉儀位移測量精度、微推進(jìn)器推力精度要提高一個量級，引力參考傳感器測量精度還要提高6個量級。
“‘太極計劃’要實現(xiàn)對相距300萬公里的兩個測試質(zhì)量之間十分之一個原子大小位移變化的精確測量，對擾動加速度需控制在億億分之一重力加速度的水平，還需要突破更核心的關(guān)鍵技術(shù)。”吳岳良表示。
如今，一切正朝著既定方向發(fā)展。按照“太極計劃”，我國將于2023年后發(fā)射“太極二號”雙星，對絕大部分關(guān)鍵技術(shù)開展較高指標(biāo)在軌搭載驗證;2033年左右發(fā)射“太極三號”三星，探測各種引力波天體，認(rèn)識引力宇宙。(記者 沈 慧)
關(guān)鍵詞： 太極一號來了
