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【宇宙科普】探測空間引力波,“太極一號”來了

錄入:平頂山市科技局  www.jlluji.live   2019-10-14 11:11:26   人氣:

來源:經濟日報

作者:沈慧

  求索未知宇宙,逐鹿空間引力波探測。前不久,中國科學院空間科學(二期)戰略性先導科技專項首發星——微重力技術實驗衛星在酒泉衛星發射中心成功發射,為我國在空間引力波探測領域率先取得突破奠定了基礎。

作為我國首顆空間引力波探測技術實驗衛星,近日成功發射的微重力技術實驗衛星被正式命名為“太極一號”。為何要去遙遠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研究的熱點,引力波是其中一個。2012年,科學家在大型強子對撞機實驗中發現神秘的上帝粒子,這表明人類對基本粒子的認識邁出了新的一步。至此,粒子標準物理模型所預言的61種基本粒子幾乎都已找到,除了目前唯一的例外——引力子。科學家們認為,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鍵。
目前,人類可見物質僅占宇宙總量的不足5%,即粒子標準物理模型能解釋的物質;95%以上是至今仍籠罩著神秘面紗的暗物質和暗能量。“暗”顧名思義“看不見”,也無法對光和目前的探測手段——電磁波產生任何反應。但引力波或是揭開人類未知世界進而理解宇宙起源的關鍵,因為暗物質和暗能量都涉及引力效應和引力作用。
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,成為人類探索和認知宇宙的一種新途徑和工具”。中國科學院副院長相里斌表示。
什么是引力波?它是物質和能量劇烈運動和變化所產生的一種物質波。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——雙黑洞并合產生的引力波。
“引力波的發現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象。”“太極一號”首席科學家、中國科學院大學副校長吳岳良說。
探測挑戰
征服星辰大海,注定坎坷難行。日常生活中,任何物質的加速運動都能產生引力波,但非常微弱。吳岳良表示,如果用每秒1000轉的角速度快速轉動一個質量為2000公斤、長度為1米的啞鈴,那么在離啞鈴3米遠處,我們能感受到的引力波振幅僅為10的負35次方——小到目前人類最敏感的科學儀器都測量不到。
后來,實驗物理學家們想到了一個解決方案:通過質量更大的天體來觀測引力波效應,比如黑洞并合等。然而,像黑洞這樣質量巨大天體融合產生的引力波信號穿越茫茫宇宙抵達地球時,已是極其微弱。吳岳良舉了個例子,兩顆1.5倍太陽質量的中子星以每秒1000轉的速率繞轉并合產生的引力波,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20次方。
困難阻擋不住人類探索宇宙的決心。上世紀90年代,美國航空航天局與歐洲航天局合作發展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量天體的爆炸等。這是全球發展最成熟的空間引力波探測計劃,將于2021年完成關鍵技術研究,2034年發射衛星。
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的天體質量和尺度,遠大于地基引力波探測所對應的天體源。”吳岳良告訴經濟日報記者,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,能夠發現天體質量更大、距離更遙遠的引力波波源,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,可進行長時間觀測,有利于確定波源位置。”吳岳良進一步解釋。
中國智慧
探索浩瀚宇宙,為人類文明進步貢獻更多中國智慧、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、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巨大,需要突破目前人類精密測量和控制技術的極限。這里面所涉及的核心技術包括高精度超穩激光干涉儀、引力參考傳感器、微牛級推進器、超穩超靜衛星平臺等。
根據“太極計劃”,我國確定了“單星、雙星、三星”“三步走”的發展戰略和路線圖,并于2018年8月立項實施“太極計劃”單星工程任務,啟動了“三步走”中的第一步:發射“太極一號”衛星,對核心技術的可行性和實現途徑進行在軌驗證,繼而形成在空間探測引力波的技術能力。
時光不負情深。“太極一號”科研團隊全力以赴、攻堅克難、勇于突破、協同創新,在不到一年時間內完成了衛星研制任務。8月31日,我國首顆空間引力波探測技術實驗衛星——微重力技術實驗衛星“太極一號”成功發射。
“衛星在軌測試正按計劃有序開展,目前衛星狀態正常,第一階段在軌測試任務順利完成。”吳岳良介紹,我國成功邁出了空間引力波探測的第一步,實驗結果驗證了“太極計劃”技術路線的正確性和方案的可行性。
太極計劃
根據“太極一號”第一階段在軌測試和數據分析結果,激光干涉儀位移測量精度達到百皮米量級,百皮米相當于一個原子直徑的大小;引力參考傳感器測量精度達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”衛星產生的加速度;微推進器推力分辨率達到亞微牛量級,這表示可以精細調節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現引力波的蹤跡。按照引力波測量原理,引力波經過時會引起自由懸浮的兩個測試質量(理想情況下可以看成兩個質點)之間的光程變化。科學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。二是如果測試質量暴露在外太空,受到太陽光壓、太陽風等因素擾動,測試質量會產生擾動加速度,從而產生位移噪聲,很容易把引力波信號淹沒。因此,科學家們將測試質量保護在衛星中心,與衛星沒有直接物理接觸,使其不受外界擾動,測試質量就會處于自由漂移狀態。
但如此一來,外界擾動就會作用在衛星上,使衛星產生位移擾動,時間一長,衛星與測試質量會碰撞到一起。怎么辦?科學家們通過位移傳感器(電容位移傳感或者光傳感)時刻讀出衛星和測試質量之間的位移變化,反饋給安裝在衛星上的微推進器,微推進器會產生準確且穩定的推力,將衛星受到的外界擾動力補償掉,從而始終保持測試質量和衛星間的位移處于平衡狀態。
“‘太極一號’實現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試驗,并在國際上首次實現了微牛級射頻離子和雙模霍爾電推進技術的在軌驗證,這為我國在空間引力波探測領域率先取得突破奠定了基礎。”中國科學院院士、“太極一號”衛星工程總師王建宇表示。
一切才剛剛開始。根據王建宇的說法,要達到空間引力波探測的技術條件可能還需要10年。比如,在現有技術基礎上,激光干涉儀位移測量精度、微推進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’要實現對相距300萬公里的兩個測試質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鍵技術。”吳岳良表示。
如今,一切正朝著既定方向發展。按照“太極計劃”,我國將于2023年后發射“太極二號”雙星,對絕大部分關鍵技術開展較高指標在軌搭載驗證;2033年左右發射“太極三號”三星,探測各種引力波天體,認識引力宇宙。
 

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