探测空间引力波,“太极一号”来了
时间:2019-12-01 19:21:54

资料来源:《经济日报》

“太极1”模拟图。(信息图片)

“太极一号”卫星项目总工程师王建宇(左)向记者介绍了“太极一号”。记者申会

寻找未知宇宙,争夺空间引力波探测。不久前,中国科学院空间科学(二期)战略试点科技项目的第一颗星——微重力技术实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射,为中国在空间引力波探测领域的首次突破奠定了基础。

作为中国第一颗空间重力波探测技术实验卫星,最近成功发射的微重力技术实验卫星正式命名为“太极1号”。你为什么想去遥远的太空触摸宇宙的“脉搏”?“太极1”的亮点是什么?它目前是如何运作的?听听专家怎么说。

时间和空间的涟漪

引力波是近年来科学研究的热点之一。2012年,科学家在大型强子对撞机实验中发现了神秘的上帝粒子,这表明人类在理解基本粒子方面迈出了新的一步。迄今为止,粒子标准物理模型预测的几乎所有61个基本粒子都已被发现,除了目前唯一的例外——引力子。科学家认为引力波是由引力子组成的,引力子是证明大爆炸起源的关键。

目前,人类可见物质只占整个宇宙的不到5%,也就是说,物质可以用粒子的标准物理模型来解释。超过95%是暗物质,暗能量仍然笼罩在神秘之中。顾名思义,“暗”是“看不见的”,不能对光或电磁波作出反应,电流检测的意思是。然而,引力波可能是揭示人类未知世界从而理解宇宙起源的关键,因为暗物质和暗能量都涉及引力效应和重力效应。

简而言之,“引力波为观察不同于电磁波的宇宙提供了一个新的重要窗口,并成为人类探索和理解宇宙的新方式和工具。”中国科学院副院长向立斌说。

什么是引力波?它是由物质和能量的剧烈运动和变化产生的物质波。如果把时空和水面相比较,引力波可以被看作时空的波纹。

爱因斯坦基于广义相对论预测引力波的存在。2016年2月,美国激光干涉仪引力波天文台宣布,ligo(激光干涉仪)探测器已经观测到引力波发出的撞击声,因此人类第一次听到了来自外太空的问候——双黑洞组合产生的引力波。

“引力波的发现使人类能够探测宇宙尺度和新的天体现象,而这些都是电磁波无法观测到的。”“太极一号”首席科学家、中国科学院副院长吴岳亮说。

检测挑战

征服星海肯定很困难。在日常生活中,任何物质的加速都会产生引力波,但它们非常微弱。吴岳亮说,如果一个质量为2000公斤、长度为1米的哑铃以每秒1000转的角速度快速旋转,我们在距离哑铃3米处能感觉到的引力波振幅只有负35次方的10次方——即使是目前人类最灵敏的科学仪器也无法测量。

后来,实验物理学家想出了一个解决方案:通过更大质量的物体观察引力波效应,如黑洞合并。然而,黑洞等巨大天体融合产生的引力波信号在穿过浩瀚宇宙到达地球时非常微弱。吴岳亮举了一个例子。两颗质量为太阳1.5倍的中子星以每秒1000转的速度旋转并合并,产生引力波。在10到23次方米的距离上可以探测到的引力波强度是负20次方的10次方。

困难不能阻止人类探索宇宙的决心。20世纪90年代,美国航天局和欧洲航天局合作开发了lisa项目。计划探测的引力波源是双星、超致密双星和大质量天体的爆炸。这是世界上最成熟的空间引力波探测计划。它将于2021年完成关键技术研究,并于2034年发射卫星。

人类已经直接探测到地球表面时间和空间的波动。为什么费心去太空?“与空间引力波探测的波源特征相对应的天体的质量和尺度比与地面引力波探测相对应的质量和尺度大得多。”吴岳亮告诉《经济日报》,与地面探测不同,中低频带的引力波信号可以在太空中探测到,可以找到天体更大、距离更远的引力波源,可以揭示更丰富的天体物理过程。

“太空探索覆盖了引力波源中最丰富的频带,并且有大量可以探测到的天波源。它可以观察很长时间,这有利于确定波源的位置。”吴岳亮进一步解释道。

中国智慧

探索广阔的宇宙,为人类文明的进步贡献更多的中国智慧、中国计划和中国力量。中国也在采取行动。2008年开始展示的探测太空引力波的“太极计划”就是一个例子。

吴岳亮认为,不同频率的引力波反映了宇宙的不同时期和不同的天体物理过程。“太极图”探测波段基本覆盖欧空局丽莎引力波探测波段(0.1赫兹至1.0赫兹),在0.01赫兹至1.0赫兹波段比丽莎具有更高的探测灵敏度。我国空间引力波探测的研究对象包括从近到远、从小到大极其丰富的引力波源,探测范围可以覆盖整个空间。

由于引力波信号极其微弱,实现空间引力波探测是一项巨大的挑战,有必要突破目前人类精密测控技术的局限。涉及的核心技术包括高精度超稳定激光干涉仪、重力参考传感器、微牛推进器、超稳定超静态卫星平台等。

根据《太极图》,中国确定了“一星、双星、三星”和“三步走”的发展战略和路线图。2018年8月,中国启动了实施“太极计划”单星项目的项目。“三步走”的第一步是发射“太极1号”卫星,在轨验证核心技术的可行性和实现途径,然后形成探测空间引力波的技术能力。

时间没有爱情深刻。“太极一号”科研团队全力以赴,克服困难,大胆突破,合作创新,在不到一年的时间里完成了卫星开发任务。8月31日,中国第一颗空间引力波探测技术实验卫星——微重力技术实验卫星太极1号成功发射。

“卫星在轨测试正在按计划有序进行。目前,卫星处于正常状态,在轨测试的第一阶段已经成功完成。”吴岳亮说,中国已经成功地迈出了探测空间引力波的第一步。实验结果验证了“太极图”技术路线的正确性和方案的可行性。

太极计划

根据“太极1号”第一阶段在轨测试和数据分析结果,激光干涉仪的位移测量精度达到100皮米的数量级,相当于原子直径的大小。重力参考传感器的测量精度约为地球重力加速度的十亿分之一,这意味着蚂蚁推动“太极1号”卫星产生的加速度可以测量。微型推进器的推力分辨率达到亚微米牛级,这意味着芝麻粒的推力可以微调到其重量的1/10000。

如此苛刻的测量精度只是为了寻找引力波的踪迹。根据引力波测量原理,引力波会导致两个自由悬浮的测试质量(在理想条件下可视为两个粒子)之间的光路改变。科学家使用激光干涉仪来测量光路的变化,从而获取引力波信号。

然而,由于引力波信号极其微弱,存在两个问题:一是引力波引起的光路变化非常小,对激光干涉仪的测量精度提出了极高的要求。第二,如果测试质量暴露于外部空间,并受到诸如太阳光压力和太阳风等因素的干扰,测试质量将产生干扰加速度,从而产生位移噪声,这将容易淹没引力波信号。因此,科学家将在不与卫星直接物理接触的情况下保护卫星中心的测试质量,使其不受外界干扰,测试质量将处于自由漂移状态。

然而,这样,外部干扰将作用在卫星上,导致卫星产生位移干扰。随着时间的推移,卫星和测试质量会发生碰撞。我该怎么办?科学家使用位移传感器(电容式位移传感器或光学传感器)随时读出卫星和测试质量之间的位移变化,并将其反馈给安装在卫星上的微型推进器。微推力器将产生精确稳定的推力来补偿卫星上的外部干扰力,从而使测试质量和卫星之间的位移始终保持平衡状态。

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,成功开展了我国首次在轨无拖曳控制技术试验,并在世界上首次实现了微牛射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证,为我国在空间引力波探测领域取得突破奠定了基础中国科学院院士兼“太极一号”卫星工程总工程师王建宇说。

一切才刚刚开始。据王建宇称,可能还需要10年才能达到空间引力波探测的技术要求。例如,在现有技术的基础上,激光干涉仪的位移测量精度和微推进器的推力精度需要提高一个数量级,重力参考传感器的测量精度需要提高六个数量级。

“‘太极图’需要精确测量相距300万公里的两个测试质量之间十分之一原子的位移变化。要将扰动加速度控制在十亿分之一重力加速度的水平,还需要突破更多核心关键技术。”吴岳亮说道。

现在,一切都朝着既定的方向发展。根据“太极计划”,中国将在2023年后推出“太极2号”双星,对大部分关键技术进行高指标星上验证。大约在2033年,“太极三号”三星将发射升空,探测各种引力波天体,了解引力宇宙。(记者申会)

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