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在太空探测引力波更给力

科普中国微平台 2016-02-25 浏览64次

开篇语

最近和朋友聊天，不说两句引力波，好像都没法刷刷存在感，引力波最火的时候很多人抱怨中国科学家怎么这么不给力，也有人质疑“美国探测到了引力波，我国还有必要耗时耗力的去研究吗？”中国科学家表示心里苦，但是还不能轻易说苦，不过相继推出的天琴计划、空间太极计划，也许是最好的回应。

1.探测引力波，先搞清楚各种“音”

引力波的频率很宽，就好像交响乐中分低音、中音、中高音和高音，针对不同频率，可采取不同的探测手段，科学目标也不尽相同。引力波频率大致分为：

低音：原初引力波频率最低，其波长跟整个宇宙的尺度差不多大，属于宇宙乐章的低音；

中音：超大质量黑洞并合时发出的引力波频率在百万分之一到亿分之一赫兹，属于宇宙乐章的中音；

中高音：质量更小一些相互距离更近一些的大质量黑洞(几万到几百万太阳质量)并合过程的后期、中子星碰撞、超新星爆炸、银河系内的白矮双星系统等的引力波频率为十万分之一到一赫兹，属于宇宙乐章的中高音；

高音：中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统的引力波频率为几十到几千赫兹，属于宇宙乐章的高音。

中低频引力波源主要来源于中等质量的致密双星(黑洞、中子星、白矮星)和宇宙大爆炸早期产生的引力波，用空间激光干涉法测量中低频引力波将是天文学和空间宇宙物理最前沿的课题，美国之前发现的引力波是高音频率，严格来说还没有触及到探测引力波更高级更前沿的课题。

2.为什么要上太空探测引力波？

为了测量中低频引力波，就离不开测量臂。由于引力波的效应极小，所以探测它时一方面要增加测量臂的长度，来增强变化的效应，另外一方面要通过巧妙的方法来探测到微小的变化。因为在波速不变的情况下，波长与频率成反比。而测量臂长越长，对越长的波长更敏感，即对更低的频率更敏感。

增加测量臂臂长是提高激光干涉引力波探测器灵敏度的有效方法。对于100赫兹的引力波，最佳臂长约为750千米。不过近些年来基于地面的引力波探测实验装置，由于受空间距离的限制和地球重力梯度噪声的影响，无法探测低于10赫兹的中低频引力波，使其研究目标变得较为有限。再加上，由于地球表面曲率的限制，建造如此长度的直线臂是不现实的。此外，地面引力波探测设施会受到地面震动噪声、热噪声、引力梯度噪声等噪声的影响，再加上前面提到的探测器的臂长也非常有限，因此如果要探测更为微弱的低频引力波（频率为10-4～10-1赫兹），最佳办法是把干涉仪放到太空上进行探测。

1993年欧洲空间局(ESA)首先提出激光干涉空间天线(LISA)计划，在中低频波段进行空间引力波测量。1997年美国空间局(NASA)加入，成为欧、美联合计划。后由于经费和计划变更等原因，美国于2011年退出了合作。于是欧洲科学家又提出了将LISA中3颗一样的卫星改为一颗母星带两颗伺服子星的修改版LISA（即eLISA）计划。

为此，欧洲在2015年12月3日先发射了1个用于验证LISA关键技术的航天器，该航天器并不能直接探测引力波，因为对于相距1米的两个物体而言，低频引力波只能引起物体10-24～10-21米的位移，这比原子核的大小（10-15米）还要小几个数量级。倘若“LISA探路者”能够进行极高精度的测量和操作，这种完全不同的宇宙观测方法将有望建立探测引力波的空间天文台，因为在两个质量块相距数百万千米时，这些微小的扰动预计可达到几千万分之一毫米。它是一项开创性的空间任务，并且在地面无法完整验证，只有在太空用极其精确的仪器才能观测引力波的微弱影响，为引力波观测铺平道路。

3.探测引力波，我国正在做什么？

天琴计划

2015年7月，我国探测引力波的天琴计划在中山大学正式启动，预计投资约150亿元人民币。该计划将像欧洲的LISA一样，采用3颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列。

每颗卫星内部都包含一个或两个极其小心悬浮起来的检验质量块。卫星实时控制姿态，使得检验质量块始终保持与周围的保护容器互不接触的状态。这样检验质量块将只在引力的作用下运动，而来自太阳风或太阳光压等细微的非引力扰动将被卫星外壳屏蔽掉。其上的高精度激光干涉测距技术用来记录由引力波引起的、不同卫星上检验质量块之间的细微距离变化，从而获得有关引力波的信息。

与LISA或eLISA不同的是，天琴计划的卫星将在以地球为中心、高度约10万千米的轨道上运行，针对确定的引力波源进行探测。这样的选择能够避免测到引力波信号却无法确定引力波源的问题，而且有望帮助节约大量卫星发射方面成本。

天琴计划能严格验证爱因斯坦理论。按照爱因斯坦理论，引力波是按照光速运动，美国激光干涉引力波天文台就是假定引力波以光速到达地球，但是到底是不是真的以光速到达地球呢？用天琴卫星可以检验。因为天琴卫星可以用光学手段看到双星系统目标对象。由于天琴卫星可探测低频段的引力波，因此能探测到比美国激光干涉引力波天文台更大质量的黑洞，即探测到相当于几万个太阳质量以上的黑洞。

空间太极计划

2016年2月16日，中国科学院公布了其空间太极计划，空间太极计划更像欧洲的LISA计划，它是绕着太阳转，而天琴卫星是绕着地球转。它有两个方案：方案一是参加欧洲航天局的eLISA双边合作计划，国际上也比较认可这个方案，因为很希望能有二组空间引力波探测系统同时进行空间探测，彼此验证。

方案二就是发射一组中国的引力波探测卫星组，与2034年左右发射的eLISA卫星组同时邀游太空，探测中低频引力波，纯纯的中国制造。届时，中国卫星组与eLISA卫星组同时在空间独立进行引力波探测，互相补充和检验测量结果。

摆在面前的两个方案到底怎么选，这是一个问题，不过选A选B之前我们面对的困难也很多。

空间太极计划涉及学科领域和前端技术广泛，需要许多先进技术。例如，稳频和锁相的大功率激光器和激光干涉系统，用无拖曵技术控制的高精度光学平台，测量超低重力水平的惯性传感器，控制各种噪声以分辨出引力波引起的微小距离的变化（10-12米）。从这方面看，我国的技术能力与国际先进水平还有一定的差距，所以通过良好的国际合作可以得到一定的弥补。

方案二是我国在2030年独立发射由位于等边三角形顶端的3颗卫星组成的引力波探测卫星组，其技术指标（包括臂长、测距精度、激光功率、望远镜直径、检验质量加速度噪声）在总体上优于欧洲LISA的要求，而频率范围复盖了欧洲LISA探测器的低频(10-4～10-1赫兹)和日本DECIGO的中频（10-2～10-1赫兹)。其主要科学目标是探测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其它的宇宙引力波辐射过程。但是成功率目前不太好说。

4.其他国家也不示弱

最近，美国提出了后爱因斯坦计划，它包括两颗星，其中一颗是“大爆炸观测者”(Big Bang Observer) 是根据探测106Ms天体的引力扰动产生的引力波或早期宇宙背景，着重于探测地面和LISA之间的中频(1×10-2～-100 赫兹)引力波，其设计概念是类似于LISA任务的三角形激光干涉结构，但技术难度将更高，技术可行性遇到更大的挑战。

日本也提出了在相似频段观测引力波的DECIGO计划。该计划由3颗无阻力卫星构成，各相距1000千米，计划在2024年发射。其中频波段的引力波源主要是中等质量的致密双星(黑洞、中子星、白矮星)，以及宇宙大爆炸早期(10-34秒以后)产生的引力波。

由此可见，在太空探测引力波正掀起新的高潮，其方案也各有千秋，祝愿这些计划早日变成现实，从而开辟观测宇宙的新窗口。

（作者：谢博，原创作品，转载请注明出自科普中国微信公众号）