空间引力波探测，“太极一号”来了。
探寻未知宇宙，角逐空间引力波探测，前不久，中科院空间科学战略先导科技工程首星——微重力技术实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射。作为我国首颗空间引力波探测技术实验卫星，该卫星近日正式命名为“太极一号”。
为什么要到遥远的太空去触摸宇宙节奏的“脉搏”？“太极一号”有哪些亮点，目前运营情况如何？听听专家的意见。
时空波纹
引力波是近年来科学研究的热点之一。为什么全世界的科学家都对它情有独钟？故事从粒子的标准物理模型开始。
2012年，科学家在大型强子对撞机的实验中发现了神秘的上帝粒子，这标志着我们人类对基本粒子的认识迈上了一个新的台阶。到目前为止，粒子标准物理模型预言的61个基本粒子已经全部找到了，只剩下一个——引力子。
科学家认为引力波由引力子组成，引力子是证明大爆炸起源的关键。
目前人类可见的物质占整个宇宙不到5%，也就是可以用标准粒子物理模型解释的物质；95%以上是仍然笼罩在神秘之中的暗物质和暗能量。“黑暗”，顾名思义就是“看不见”，对光和现在的探测手段——电磁波都反应不过来。
但引力波是在21世纪推开物理学上的两大“乌云”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引力效应。
图为太极一号首席科学家吴岳良
简而言之，“引力波提供了一个新的重要的观察宇宙的窗口，它不同于电磁波，成为人类探索和认识宇宙的新方式和工具。”中国科学院副院长项立斌说。
什么是引力波？是物质和能量剧烈运动和变化产生的一种物质波。如果用水面来比喻时空，引力波可以看作是时空的涟漪。
一个世纪前，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。一百年后，这一奇妙现象被科学家成功捕捉到。
2016年2月，美国激光干涉引力波天文台宣布，LIGO探测器在美国东部时间2015年9月5: 51观测到了引力波的撞击声。那是人类第一次听到来自外太空的问候——两个黑洞合并产生的引力波，也是第一次在地面上直接观测到引力波。2017年的诺贝尔物理学奖授予了三位对此做出决定性贡献的科学家:雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩。
“引力波的发现使人类能够探测到天文尺度和基于电磁波无法观测到的新天象。”太极一号首席科学家、中国科学院副院长吴岳良说。
检测挑战
征服星辰大海，注定坎坷艰难。
在日常生活中，任何物质的加速度都可以产生引力波，但其产生的引力波非常微弱。
吴月良曾打了一个比方:如果一个质量为2000公斤的哑铃以每秒1000转的角速度快速旋转，其长度为1米，那么我们所能感受到的引力波的振幅在距离亚陵3米处只有-10的35次方，这个数值太小了，我们目前最灵敏的科学仪器都无法测量。
知道山里有老虎，他们更愿意去山里。后来实验物理学家想出了一个解决办法:通过质量更大的物体观察引力波效应，比如黑洞的合并。然而，即使像黑洞这样的大质量天体被融合，其产生的引力波信号在穿越浩瀚宇宙到达地球时也是极其微弱的。
有多弱？吴月良举了一个例子。两颗质量为太阳1.5倍的中子星以每秒1000转的速度公转并合并，在10的23次方距离上可以探测到的引力波强度为10的负20次方，这是目前地面引力波探测设备的灵敏度。检测难度由此可见一斑。
困难阻挡不了人类探索宇宙的决心。
1.20世纪90年代，美国国家航空航天局开始参与欧洲航天局的空间引力波探测计划，并合作开发lisa项目。计划探测的引力波源是双星系统、超大质量双黑洞和大质量比双黑洞的合并、普通星系核中的大质量黑洞对恒星质量黑洞的俘获、超致密双星和大质量天体的爆炸。
这是20多年来国际上最成熟的空间引力波探测计划。按照计划，他们将于2034年发射卫星，2021年完成关键技术研究。
2.后来美国提出了“后爱因斯坦计划”，包括两个计划，其中一个是“大爆炸观测者”，12个航天器组成三个编队，每个编队的航天器间距为50万公里，重点探测地面与lisa之间中频为0.1-1.0Hz的引力波。
3.日本在相近频段提出了decigo计划，航天器间距约1000公里，其敏感频率范围约为0.1-1.0 Hz。
如上所述，人类已经直接探测到了地球表面的时空涟漪。何苦踏上太空之旅？
“空间引力波探测的波源特征对应的天体质量和规模，比地基引力波探测对应的要大得多。”吴月良告诉记者，与地基探测不同，在太空中可以探测到中低频段的引力波信号，可以发现天体质量更大、距离更远的引力波源，揭示更丰富的天体物理过程。
“空间探测覆盖了引力波源最丰富的频段，拥有大量可探测的天体波源，可长期观测，有利于确定波源位置。地基引力波探测无法探测10 Hz以下的引力波，这使得其研究目标极其有限。”吴月良进一步解释道。
中国智慧
探索浩瀚宇宙，为人类文明进步贡献更多中国智慧、中国方案、中国力量。中国也在采取行动。2008年论证的空间引力波探测“太极计划”就是一个代表。
据吴月良介绍，不同频率的引力波反映了宇宙不同的周期和不同的天体物理过程。“太极计划”的探测频段基本覆盖了ESA LISA的引力波探测频段，但在频段上比LISA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由近及远、由小到大的极其丰富的引力波源，探测范围可覆盖整个空间。
图为太极一号。
理想很丰满，现实很骨感。由于引力波信号极其微弱，实施空间引力波探测是一个极大的挑战，需要突破目前人类精密测控技术的极限。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、超高精度无阻力控制、微牛顿推进器、超稳定超静态卫星平台等。
根据“太极计划”，我国确定了“一星、双星、三星”、“三步走”的发展战略和路线图。2018年8月立项实施“太极计划”单卫星项目，启动“三步走”第一步:发射“太极一号”卫星，验证核心技术在轨可行性和实现方式。
图为太极一号模拟图。
时间会有回报的。“太极一号”科研团队以实现从零到一的突破为己任，全力以赴，攻坚克难，敢于突破，协同创新，不到一年就完成了卫星研制任务。2065438年8月31日，我国首颗空间引力波探测技术实验卫星——微重力技术实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射。
“卫星在轨测试正在按计划有序进行。截至目前，卫星状态正常，测试结果正常。第一阶段在轨测试任务圆满完成。”吴月良介绍，“太极一号”的成功发射和第一阶段在轨测试任务的圆满完成，迈出了我国空间引力波探测的第一步。实验结果验证了技术路线的正确性和“太极计划”方案的可行性。
太极计划
根据太极一号一期在轨测试和数据分析结果:
1.激光干涉仪的位移测量精度达到100皮米量级，相当于一个原子的直径；
2.重力参考传感器的测量精度达到地球重力加速度的十分之一，也就是说一只蚂蚁推动太极一号卫星产生的加速度是可以测量的；
3.微推进器的推力分辨率达到亚微牛顿量级，也就是说一个芝麻重量的万分之一的推力都可以微调。
如此苛刻的测量精度，只为寻找引力波的踪迹。根据引力波测量原理，当引力波经过时，会引起两个自由悬浮的测试质量之间光程的变化。科学家通过激光干涉仪测量这种光程变化，从而反演引力波信号。
但由于引力波信号极其微弱，会带来两个问题。
第一，引力波引起的光程变化非常小。即使在一百万公里的距离上，引力波引起的两个粒子之间的变化也只有皮米量级，因此激光干涉仪的测量精度极高。
第二，如果测试质量暴露在外太空，受到太阳光压、太阳风或其他宇宙射线的干扰，测试质量会产生扰动加速度，从而产生位移噪声，很容易淹没引力波信号。因此，科学家会将测试质量保护在卫星中心，不与卫星直接物理接触，使其不受外界干扰力的干扰，测试质量处于自由漂移状态。
但这样，外界扰动就会作用在卫星上，使卫星产生位移扰动。久而久之，卫星和测试质量会发生碰撞，破坏测试质量的自由漂移状态。
我们做什么呢科学家总是通过位移传感器读取卫星与测试质量之间的位移变化，并反馈给安装在卫星上的微型推进器。微推力器产生精确稳定的推力，补偿卫星上的外部扰动力，使试验质量和卫星间的位移始终保持平衡状态。这就是无拖曳空间控制技术。其中，测试质量和位移传感器构成重力参考传感器。
图为“太极一号”卫星工程总工程师王建宇介绍太极一号相关情况
“‘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阻力控制技术试验，在国际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，为我国率先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、太极一号卫星工程总工程师王建宇说。
而这仅仅是开始。据王建宇介绍，要达到空间引力波探测的技术要求，可能还需要十年时间。比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力器的推力精度要提高一个数量级，重力参考传感器的测量精度要提高六个数量级。
“为了精确测量相距三百万公里的两个测试质量之间十分之一原子大小的位移变化，需要将扰动加速度控制在引力加速度十亿分之一的水平，需要突破更多的核心关键技术。”吴月良说。
现在一切都在朝着既定的方向发展。根据“太极计划”，我国将在2023年后发射“太极二号”双星，在轨验证大部分高指标关键技术；2033年前后，发射“太极三号”三星，探测各种引力波，了解引力宇宙。
经济日报经典科学工作室
记者:申会
王者之心2点击试玩。