引力波成為探秘“黑洞”的一把鑰匙

文／羅子人

在日前召開的空間激光干涉引力波天線第十四屆國際年會上，筆者受邀作“空間引力波探測太極計劃及其進展”特邀報告，向世界展示了中國科學院力學研究所最新研制的全功能空間引力波探測激光干涉儀原理樣機。

從2008年開始，我國科學家啟動了中國空間引力波探測計劃研究，由中科院牽頭組織全國優(yōu)勢力量成立論證組，2016年形成了基于日心軌道方案的“太極計劃”和基于地心軌道方案的“天琴計劃”，并于2019年先后發(fā)射了“太極一號”和“天琴一號”技術(shù)實驗衛(wèi)星，迅速縮小了與國外的差距。在順利完成空間引力波探測關(guān)鍵技術(shù)驗證任務的基礎(chǔ)上，通過北斗導航系統(tǒng)，以及星載引力參考傳感器的測量數(shù)據(jù)，“太極一號”獲得我國首個自主完成的月平均全球重力場數(shù)據(jù)產(chǎn)品，實現(xiàn)了全球重力場前20階球諧函數(shù)勢的精密測量，支撐了我國地球科學和大地測繪研究。

2015年，美國激光干涉引力波天文臺在地面首次直接觀測到雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波信號。2017年，這項研究工作被授予諾貝爾物理學獎。

引力波的發(fā)現(xiàn)是對愛因斯坦廣義相對論所作預言的直接驗證，為開啟引力波物理學和引力波天文學的新紀元奠定了基礎(chǔ)。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，有質(zhì)量的物體會讓我們的四維時空產(chǎn)生彎曲。舉個形象的比喻，如果把四維時空看成一個橡皮膜，往上面放一個小鐵球，它就會讓橡皮膜向下凹陷產(chǎn)生彎曲。小球質(zhì)量越大，橡皮膜彎曲的程度就越大。當有兩顆小球互相繞著轉(zhuǎn)的時候，它們就會擾動周圍的時空，使得時空的彎曲狀態(tài)一直變化，并且這種時空彎曲的變化還會像水波一樣向外傳播，這就是引力波。我們把引力波稱為時空的漣漪。

引力波具有非常寬廣的頻段。不同頻率的引力波對應宇宙演化的不同時期和不同的天體物理過程，相應的科學目標也不相同。安裝在地上的引力波天文臺受地面噪聲、干涉儀尺度和波源強度的限制，探測頻段在10赫茲以上。而中低頻引力波源有更深刻的宇宙學和天文學意義，有望直接觀測到百萬太陽質(zhì)量的超大黑洞，揭示超大黑洞的起源和演化，描繪出宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成的歷史過程，提供黑洞附近強引力場的精細結(jié)構(gòu)，獲得致密天體在銀河系內(nèi)的分布圖景。

空間引力波探測器由三顆衛(wèi)星組成，形成正三角形飛行編隊，可在保持軌道穩(wěn)定的同時較好地響應引力波的偏振特性。每顆衛(wèi)星攜帶兩個測試質(zhì)量，激光在測試質(zhì)量間傳播，建立起兩兩衛(wèi)星間的激光干涉鏈路。當引力波經(jīng)過時，測試質(zhì)量間的光程發(fā)生變化，通過激光干涉信號讀出。

三顆衛(wèi)星在發(fā)射進入預定軌道后，需先通過星間激光捕獲技術(shù)使三顆衛(wèi)星獲得相互間精確的方位信息，然后通過星間激光跟瞄技術(shù)讓三顆衛(wèi)星通過激光進行相互精確的瞄準，建立起穩(wěn)定的激光干涉鏈路，同時還需建立輔助干涉儀進行百萬千米星間測距、通信、對鐘等，以延時數(shù)據(jù)處理方法來消除激光頻率噪聲和超穩(wěn)時鐘的噪聲，這就形成星間激光干涉測距系統(tǒng)。

如果測試質(zhì)量暴露在外太空，受到太陽光壓、太陽風或者其他宇宙射線的擾動，測試質(zhì)量就會產(chǎn)生擾動加速度，從而產(chǎn)生位移噪聲，很容易將引力波信號淹沒。科研人員巧妙地通過位移傳感器，實時讀出衛(wèi)星和測試質(zhì)量之間的位移變化，反饋給安裝在衛(wèi)星上的微推進器。微推進器產(chǎn)生準確且穩(wěn)定的推力，將衛(wèi)星受到的外界擾動力補償?shù)簦冀K保持測試質(zhì)量和衛(wèi)星間的位移處于平衡狀態(tài)。

在20世紀80年代，國外便開始布局空間引力波探測，目前最成熟的計劃為歐空局主導、美國宇航局參加的空間天線激光干涉儀（LISA）計劃。因技術(shù)難度極大，2015年發(fā)射的LISA探路者衛(wèi)星進行部分關(guān)鍵技術(shù)驗證，2017年LISA被納入歐空局旗艦項目，計劃2030年發(fā)射。

開展空間引力波探測，可全面促進我國空間高精度引力參考傳感器、星間超高精度激光干涉測量、高精度衛(wèi)星編隊、超穩(wěn)超靜衛(wèi)星平臺等方面技術(shù)的成熟，帶動一系列對國民經(jīng)濟和國家戰(zhàn)略需求有重要價值的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，對于全球重力場測繪、建立高精度全球時空坐標體系、對地觀測、大地測量、資源勘探、自主導航，以及促進未來前沿空間科學實驗等具有重要意義。