空間引力波探測方案的探討

胡文瑞

（中國科學院力學研究所，北京 100190）

2016年2月12日，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）和美國國家科學基金會聯合宣布，2015年9月14日在美國的兩個地面站同時觀測到引力波，即GW150914事件。至今已觀測到6次引力波事件，其中歐洲引力波天文臺（VIRGO）參加了第4次事件（GW170814），使分辨率提高了10倍。地面引力波探測的成果不僅驗證了百年前廣義相對論所預言的引力波，發展了理論物理的引力理論，而且開辟了引力波天文學的新領域。

空間引力波探測是在低頻波段探測引力波，它對應于大質量的擾動事件，因此比地面引力波探測更具豐富的物理內涵。1993年，歐洲空間局（ESA）提出激光干涉空間天線（LISA）計劃，即在太陽軌道（地球軌道前20°）布置3個間距為5×106km的呈正三角形的航天器，星載激光器精確測量航天器間距的變化，從而反演出引力波的存在。LISA計劃已列為ESA的第3號大型空間任務，計劃2034年升空。1997年，美國國家航空航天局（NASA）參加LISA計劃，2011年退出，后又在2017年重新參與。美國國家研究委員會（NRC）對空間引力波探測予以高度評價。空間引力波探測目前的國際態勢是，歐美聯合與中國競爭。美國國家研究委員會（NRC）對空間引力波探測予以高度評價，認為這是很快會獲得諾貝爾獎類的項目。

空間引力波探測在中國受到多方面的關注。科技部于2016年6月成立了“引力波研究專家委員會”，為中國引力波的發展制訂藍圖。中國科學院2008年始部署了引力波的探索，2015年啟動了包括空間引力波探測“太極計劃”在內的先導項目研究；目前，中國科學院正在安排空間引力波探測的預研星計劃。

“太極計劃”選擇太陽軌道3顆星的激光測距方案。近年來，中山大學提出的“天琴計劃”是在地球周圍布置3顆激光測距衛星。2018年4月1日中央電視臺《新聞聯播》中，天琴計劃的負責人介紹了他們選擇的地球軌道空間引力波探測方案。這一方案早在2011年NASA的《Gravitational-wave mission concept study final report》中已有詳細討論，歸納起來，它有如下困難。

1）在考慮月球、木星及其他天體的影響后，地球軌道的方案采用等邊三角形編隊（臂長包括7.3萬km、67萬km和100萬km），其星間相對速度引起的多普勒頻移很可能大于50 MHz，這對相位計、探測器的帶寬提出了更高要求；然而，對于探測器和相位計而言，帶寬越寬，噪聲就越大。

2）地球軌道方案的軌道運動會引起溫度變化。采用等邊三角形繞地球飛行的軌道，航天器對太陽的朝向時常在變化，因此引起的航天器溫度漲落會非常大，在毫赫茲頻段溫度變化約比太陽軌道高兩個量級以上，這對載荷附近溫控提出了很高的要求。

3）地球軌道方案的太陽陰影問題對航天器與望遠鏡性能造成很大影響。航天器在運行過程中會時而進入太陽陰影，時而又受到太陽照射。處在太陽陰影與太陽照射狀態相比，航天器的溫差高達300℃以上，這對航天器穩定結構提出了很高的要求。因為溫度變化會引起航天器結構形變和應力形變，從而改變航天器質心狀態，直接導致慣性傳感器無法正常工作。劇烈溫度變化造成的另一個問題是望遠鏡的性能下降甚至完全失效，因為它會引起望遠鏡結構形變、鏡面形變，從而影響望遠鏡出射光及接受光的波前質量。望遠鏡結構形變會使得接受光的波前不再光滑，將直接導致差分波前傳感技術的失效。

4）地球軌道方案的太陽陰影問題使得科學測量時間不連續。按照天琴計劃的方案，其連續科學工作時間為3個月，兩個測量周期的間隔也是3個月。與1年積分時間相比，其獲得的信噪比減半。然而，在天琴計劃最新的文章《Fundamentals of the orbit and response for Tianqin》中，在計算時默認了1年積分時間。

一般認為，空間引力波探測選用太陽軌道是最好的方案，而地球軌道的方案風險極大。中國的空間引力波探測處在學術與技術競爭嚴酷的環境中，需要盡早確定路線方案，盡快協調國內各方的優勢力量聯合攻關，加強國際合作，“以我為主”地做出重大學術貢獻。

——摘自《科技導報》2018年第12期