空间引力波探测,“太极一号”来了

哲学家康德有句名言,世界上有两件事我们一生都应该害怕和敬仰。一个是头顶明亮的星空,另一个是人们心中高尚的道德准则。

探索未知宇宙,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。作为中国第一颗空间引力波探测技术实验卫星,这颗卫星最近被正式命名为“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。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实验中发现了神秘的上帝粒子,这表明我们对基本粒子的理解迈出了新的一步。迄今为止,已经发现了粒子标准物理模型预测的61种基本粒子,除了剩下的唯一一种,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,可见物质占宇宙总量的不到5%,也就是说,可以用标准粒子物理模型来解释的物质。超过95%是暗物质,暗能量仍然笼罩在神秘之中。“黑暗”,顾名思义,“看不见”,也不能对光或电磁波产生任何反应,即电流检测手段。然而,引力波可能是通过打破21世纪物理学中的两个“大乌云”来理解宇宙起源的关键,因为暗物质和暗能量都与引力效应和重力效应有关。

图为“太极一号”首席科学家吴岳亮

简而言之,“引力波为观察宇宙提供了一个全新的重要窗口,它不同于电磁波,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。一个世纪前,爱因斯坦基于广义相对论预测了引力波的存在。一百年后,科学家们成功地捕捉到了这一奇妙的现象。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)探测器已于2015年9月14日东部时间5: 51观测到引力波的撞击声。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。这是地球上首次直接观测到引力波。2017年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家,雷纳·韦斯、巴里·克拉克·巴里什和基普·索恩,他们对此做出了决定性的贡献。

“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。

引力波可以由日常生活中任何物质的加速运动产生,但由此产生的引力波非常微弱。

吴岳亮曾经这样做过类比: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,那么我们在离副钟3米处能感觉到的引力波的振幅只有10-35次方,这是如此之小,以至于目前我们最灵敏的科学仪器都无法测量到这种引力波。

知道山里有老虎,他们更喜欢去虎山旅游。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,即使像黑洞这样质量巨大的天体合并,当它们穿过浩瀚的宇宙到达地球时,它们产生的引力波信号也极其微弱。

它有多弱?吴岳亮举了一个例子。两颗中子星产生的引力波是太阳质量的1.5倍,以每秒1000转的速度绕轨道运行和合并,在10到23次方米到负20次方10的距离上可以探测到。这是引力波的强度,可以通过当前地面引力波检测设备的灵敏度来检测。这显示了检测的难度。困难不能阻止人类探索宇宙的决心。

1.20世纪90年代,美国宇航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。计划探测的引力波来源有双星系统、超大质量双黑洞和超大质量双黑洞的结合、普通星系核中超大质量黑洞对恒星质量黑洞的捕获、超大质量双星和大质量天体的爆炸等。这是20多年来世界上最成熟的空间引力波探测项目。根据计划,他们将在2034年发射一颗卫星,并在2021年完成关键技术的研究。2.后来,美国提出了“后爱因斯坦计划”,其中包括两个计划,一个是“大爆炸观察家”。十二艘宇宙飞船形成三个编队,每个编队之间的距离为50万公里。它的重点是探测地面和丽莎之间0.1-1.0赫兹的中频引力波。3.日本提出了一个类似频段的decigo计划。航天器之间的距离约为1000公里,其敏感频率范围约为0.1-1.0赫兹。

如前所述,人类已经直接探测到地球表面空间和时间的波动。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。”吴岳亮告诉记者,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,有利于确定波源的位置。基于地面的引力波探测无法探测到10赫兹以下的引力波,这使得其研究目标极其有限。”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”探测频带基本覆盖欧空局丽莎引力波探测频带(0.1赫兹-1.0赫兹),但在频带(0.01赫兹-1.0赫兹)上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。

图为太极一号

理想是丰满的,现实是瘦骨嶙峋的。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。所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、超高精度无拖曳控制、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。

图为太极一号的模拟。时间不深。“太极一号”科研团队以实现从零到一的突破为己任。全力以赴克服困难,大胆突破,共同创新。它在不到一年的时间里完成了卫星的研制。2019年8月31日,中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(后称“太极1号”)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,卫星处于正常状态,测试结果正常。在轨测试的第一阶段已经成功完成。”吴岳亮介绍说,“太极一号”的成功发射和在轨试验任务第一阶段的成功完成,为中国空间引力波探测迈出了第一步。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“太极一号”第一阶段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皮米的数量级,相当于原子直径的大小;2.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,这意味着可以测量蚂蚁推动“太极1号”卫星产生的加速度;3.微型推进器的推力分辨率达到亚微米量级,这意味着芝麻重量的1/10000的推力可以微调。

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,当引力波经过时,它们会导致两个自由悬挂的测试质量之间的光路改变(理想情况下,它们可以被视为两个粒子)。科学家使用激光干涉仪测量光路的变化来获取引力波信号。

然而,因为引力波信号非常微弱,所以会有两个问题。首先,引力波引起的光路变化非常小。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数量级。因此,激光干涉仪的测量精度极高。第二,如果测试质量暴露于外层空间并受到太阳压力、太阳风或其他宇宙射线的干扰,测试质量将产生干扰加速度,从而产生位移噪声,这将很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,使其不会受到外部干扰力的干扰,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,卫星和测试质量会碰撞并破坏测试质量的自由漂移状态。

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。微推力器产生精确稳定的推力,以补偿卫星受到的外部干扰力,并始终保持测试质量和卫星之间的位移处于平衡状态。这是非拖曳式空间控制技术。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”卫星项目总工程师王建宇介绍太极一号的相关信息。

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,成功进行了我国第一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首次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。

这只是开始。根据王建宇的说法,要达到探测太空引力波的技术要求可能还需要十年时间。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力器的推力精度应提高一个数量级,重力参考传感器的测量精度应提高六个数量级。

“‘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。扰动加速度需要控制在万有引力加速度的十亿分之一水平,还需要突破更多的核心关键技术。”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,搭载并验证大部分高指标关键技术。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。

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