太极计划：中国将在太空中猎捕引力波的旅程

中国在太空中搜寻引力波的旅程将由一对双子座恒星引领。中国科学院大学常务副院长、空间引力波探测项目“太极计划”首席科学家吴月良院士在中国科学院理论物理研究所最近的一份报告中透露，该项目计划于2020年至2025年启动“太极探路者”测试双星系统，搭载空间引力波探测关键技术进行验证。

在完成技术验证后，“太极计划”预计在2033年发射三颗卫星，形成边长为300万公里的等边三角形，当地球发射到围绕太阳的轨道后，将围绕地球运行，形成六个相互干扰的激光。

空间引力波探测的基本原理与地面引力波探测的基本原理相同，只是不受地面噪声和地面距离的限制。它能探测质量和规模更大的天体，视野更深、更广。与此同时，卫星可以进行长期和多角度观测，从而更容易确定波源。“太极计划”将主要探测中等质量和大质量双黑洞的合并。

“太极计划”得名于此:太极是道教文化中的宇宙起源，两个黑洞的结合非常类似于太极。

双黑洞组合产生的引力波

“太极计划”的国际合作者和竞争者是由欧洲航天局(欧空局)领导的LISA项目。其单一技术验证卫星" LISA探路者"于2015年底发射，取得了比预期更多的成功结果。

LISA项目中三颗卫星的预计发射时间接近“太极计划”。

如何聆听时空的涟漪

引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论。时间和空间在质量面前是扭曲的。在膨胀和压缩的过程中，空间和时间会产生传播的振动。这些振动是引力波。

2016年2月16日，在爱因斯坦广义相对论一百周年之际，LIGO宣布，它已经成功探测到两个黑洞合并产生的引力波，成为近年来最大的科学突破。领导LIGO的三位美国物理学家也毫无疑问地获得了2017年诺贝尔奖。

LIGO本质上是一个L形真空管，有两条长度等于4公里的臂。引力波会轻微扭曲真空管中的时空，造成两臂发射的激光之间的光程差。

LIGO的精髓是一个长4公里的L形真空管。

但是，由于空间距离的限制和地球噪声的影响，地面激光干涉仪无法探测到10 Hz以下的引力波，可以研究的主要目标是小黑洞的合并，合并过程短，波源位置不易确定。

边长几百万公里的空间激光干涉卫星系统相当于放大了几十万倍的LIGO。尽管检测的基本原理是相同的，但涉及的关键技术却大不相同。吴月良说，探测空间引力波是为了保证测试质量，而不是拖移，其次是实现空间长基线(100万公里)的微光干涉技术。

例如，卫星的激光测距系统需要精确到皮米(10-12米，千分之一纳米)，控制负载只受引力波影响。"这是人类精确度的极限。"吴月良说道。

欧洲的“LISA探路者”卫星已经完成了一些关键技术的验证。“太极探路者”将率先实现双星系统测试。

LISA探路者卫星

LISA探路者号于2016年抵达地球上的第一个拉格朗日点(卫星的轨道周期与地球的公转周期重合)，搭载了两个质量为2千克的金铂合金立方体，相距38厘米。立方体受到卫星环境的保护。理论上，只有引力波能干扰它们下落物体的同步。LISA探路者实验证明，这种干扰的测量精度可以达到皮米级。

此外，卫星上的微型推进器实现了对卫星运动路径的高精度调整，以确保立方体能够*下落而不受干扰。只有1000个这样的螺旋桨能把一张纸推到地面上。

“丽莎探路者”卫星欧洲航天局地图

虽然“LISA探路者”的降噪精度比目标精度高出5倍，超出预期，但LISA项目本身也有一些曲折。

1990年代，欧洲航天局(欧空局)和美国国家航空航天局(美国航天局)开始合作开发激光干涉仪空间天线项目。这也是世界上最成熟的空间引力波探测计划。

2011年，由于美国航天局的退出和欧洲资金的减少，LISA发展成为一个eLISA项目，从3颗带有6个激光干涉仪的卫星削减为3颗带有2个激光干涉仪的卫星。后来，欧空局邀请中国加入该项目，并承担20%的资金。

2017年6月，LISA被选为欧空局“宇宙学十年计划(2012025年)”中最高的L级任务，资金上限为10.5亿欧元。几乎与此同时，美国国家航空航天局宣布重返空间引力波探测，eLISA再次重返LISA。

LISA预计到2021年完成关键技术的研究，并力争在2030年左右发射卫星。

吴月良说，中国科学院一直保持两条路线。在参加每一次LISA合作会议的同时，它还坚持探索自己的引力波空间探索计划。“太极计划”几乎覆盖了LISA的引力波探测频带，在与中质量双黑洞系统相对应的频带上，比LISA具有更高的探测灵敏度。

“太极计划”卫星群的平面与黄道平面成60度夹角。

“太极计划”将帮助科学家理解宇宙中第一代种子黑洞是否是由暗物质形成的，以及它们是如何成长为巨大的超大质量黑洞的。同时，科学家可以研究引力波的极化，探索重力的本质。

其他引力波探测计划

LIGO成功探测到引力波后，中国很快跟上了这一布局。目前，中国的引力波探测大致分为三条路径。除了“太极计划”，中山大学还提出了一个独立的空间引力波探测项目“秦天计划”。“秦天计划”也是一个三星系统，它位于离地球约10万公里的地球轨道上，形成一个边长约15万公里的三角形。

“太极计划”，LISA的太阳轨道(第一部分)和“秦天计划”地球轨道(第二部分)科学杂志图表

吴月良指出，“太极计划”运行在太阳的轨道上。首先，它可以避免地球重力梯度噪音的影响。第二，卫星群的平面与黄道面成60度夹角，使卫星始终面向太阳，保持热辐射的稳定性，满足探测器温度变化控制在百万分之一的要求。

此外，中国科学院高能研究所正在*阿里牵头建设海拔5100米的原始引力波工程，以聆听宇宙大爆炸后的第一声呐喊。一期望远镜预计在2020年开始观测。

在国际上，美国和日本分别提出了“大爆炸观测器”和DECIGO计划，重点是探测地面和LISA之间0.1.0赫兹的中频引力波。然而，这两个项目需要更高的检测精度和更高的资金，目前项目进展缓慢。