太极计划：去太空捕捉时空涟漪

2015年，LIGO在人类历史上首次直接探测到引力波。在过去的几年里，LIGO已经公开证实它已经成功探测到了十几个引力波事件。

随着来自地面引力波观测站的好消息不断传来，人们越来越期望它能听到宇宙在太空中的声音。

记者了解到，早在2012年，中国空间引力波探测研究团队就受邀参加欧洲航天局空间引力波探测联盟首次会议，公开介绍中国的空间引力波探测计划。该计划由中国科学院于2016年初正式启动，在太空中简称为“太极计划”。目前，“太极计划”正在解决关键技术问题，并取得了一些重要进展。

在空间形成激光干涉链

“‘太极’由三颗卫星组成，以规则的三角形队形围绕太阳运行，每颗卫星相距300万公里。”“太极计划”首席科学家、中国科学院院士吴月良在接受《科学日报》采访时表示，该计划的基本原理与LIGO类似，使用激光干涉。

LIGO由两条相互垂直的4公里长的干涉臂组成。激光束沿着每个干涉臂传播，并被反射镜反射。引力波的通过将导致干涉臂的臂长发生微小变化，激光束的传播时间也会发生变化并产生所谓的干涉条纹。LIGO将衡量这一极其微弱的变化。

相比之下，“太极”将位于太空，干涉臂的臂长是卫星之间的距离——300万公里。LIGO的激光束需要在特制的真空室中传播。“太极”本身处于真空环境中，激光束直接在卫星之间传播。

吴月良介绍，每颗太极卫星搭载两套星间激光干涉测距系统。这样，三颗卫星总共可以形成六条激光干涉链，其中两两相互干涉形成一条“V”型激光干涉链，因此可以同时进行三组引力波探测实验。

对于引力波事件，可以同时探测到太极携带的六组激光，可以进行三组实验，可以独立实现相互验证“太极计划”首席科学家、中国科学院院士胡文瑞说。

实现“太极计划”的三个步骤

“太极计划”希望建立一个超精密的测量系统来探测太空中的引力波，至少涉及28项关键核心技术，这比LIGO还要困难。

就精确测量物理学而言，太极计划要实现的许多目标是世界上最精确和最敏感的极限目标吴月良告诉记者。

该计划将使用高精度激光干涉测距系统来测量300万公里处引力波引起的皮米级距离变化。你知道，皮米是千分之一纳米。

为了实现高精度测量，“太极计划”将对卫星的稳定性提出极高的要求，三颗卫星必须是超稳定和超静态的平台。此外，为了避免外力干扰引力波信号检测，卫星负载必须处于*悬挂状态，这需要应用无阻力控制系统来精确感测外力的变化，并使用0.1微推力器技术来平衡其他外力。请注意，一头牛是百万分之一。此外，“太极计划”中使用的一些材料的热膨胀系数应该小于千万分之一。

胡文瑞表示，为了逐步达到预期目标，《太极计划》提出了“三步走”的发展路线图。第一步是到2020年逐步形成空间引力波探测的技术能力。第二步是在2023年推出“太极”关键技术双星验证星——太极探路者。第三步是利用太极探路者的技术积累，在2033年推出“太极”三星。

高频引力波是探测目标。

既然已经有了地面引力波探测器，我们为什么要去太空探测引力波呢？答案是:两者探测到的引力波的频带完全不同。

“类似于电磁波，引力波是宽带信号。地面引力波探测器主要探测中高频带的引力波事件，集中在10 Hz到1000 Hz之间。空间引力波探测器主要针对0.1兆赫至1赫兹的中低频引力波事件。”吴月良的介绍。

中低频引力波事件在天文学、宇宙学和物理学中可能有更重要的意义。

"空间引力波探测和地面引力波探测在探测频带上是互补的."中国科学院院士、中国科学院理论物理研究所研究员蔡荣根在接受《每日科学》采访时表示，LIGO等地面引力波探测器探测到的引力波是由质量为太阳10到几十倍的小质量黑洞组合而成的， 而空间引力波探测器将探测中等质量黑洞和超大质量黑洞组合产生的引力波，这些黑洞的质量是太阳质量的几千倍，甚至是太阳质量的几百万到几千万倍。

蔡荣根说，探测合并超大质量黑洞产生的引力波将有助于科学家理解这些黑洞的形成和演化。此外，超大质量黑洞与星系的形成历史直接相关，相关研究将进一步促进科学家对星系形成和宇宙演化的理解。

此外，早期宇宙中产生的随机引力波也是空间引力波探测的重要目标之一蔡荣根告诉《科学日报》，这种引力波是一种“化石”，保存了早期宇宙的信息，对理解早期宇宙的演化具有重大的科学意义。