中國在太空中獵捕引力波的旅程，將由一對雙子星擔當探路先鋒。中國科學院大學常務副校長、空間引力波探測項目“太極計劃”首席科學家吳岳良院士近日在中科院理論物理研究所的一場報告中透露，項目計劃在2020年到2025年發(fā)射“太極探路者號”試驗雙星系統(tǒng)，搭載空間引力波探測關鍵技術進行驗證。
完成技術驗證后，“太極計劃”預期在2033年發(fā)射三顆衛(wèi)星組成邊長300萬公里的等邊三角形，在地球繞日軌道發(fā)射入軌后繞日運行，彼此形成6路干涉激光。
空間引力波探測和地面引力波探測的本質(zhì)原理相同，只是不受地面噪音和地面距離的限制，能夠探測質(zhì)量和尺度更大的天體，視野也更深廣。同時，衛(wèi)星可以進行長時間、多角度的觀測，更容易確定波源。“太極計劃”將主要探測中等質(zhì)量和大質(zhì)量雙黑洞并合。
“太極計劃”由此得名：太極在道家文化中是宇宙的起源，而雙黑洞并合的情景頗合太極之象。
雙黑洞并合產(chǎn)生引力波
“太極計劃”在國際上的合作者兼競爭者是由歐洲空間局（ESA）主導的LISA項目。其單顆技術驗證衛(wèi)星“LISA探路者號”已于2015年年底發(fā)射升空，并取得了超出預期的成功結果。
LISA項目三顆衛(wèi)星的預期發(fā)射時間與“太極計劃”接近。
聆聽時空漣漪的方法
引力波是愛因斯坦廣義相對論中的重要推論。時間和空間在質(zhì)量面前扭曲，時空在伸展和壓縮的過程中，會產(chǎn)生振動傳播開來，這些振動就是引力波。
2016年2月16日，在愛因斯坦提出廣義相對論的百年紀念日上，激光干涉引力波觀測臺（LIGO）宣布成功探測到雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，成為近年來的頭號科學突破。領導LIGO的三位美國物理學家也毫無懸念地捧走了2017年的諾貝爾獎。
LIGO的本質(zhì)是兩臂等長4公里的L型真空管，引力波經(jīng)過會微小地扭曲真空管中的時空，使兩臂各自發(fā)射的激光出現(xiàn)光程差。
LIGO的本質(zhì)是兩臂等長4公里的L型真空管
不過，收到空間距離的限制和地球噪聲的影響，地面激光干涉儀無法探測低于10赫茲的引力波，能研究的目標主要是小黑洞并合，且并合過程短暫，波源位置不易確定。
邊長數(shù)百萬公里的空間激光干涉衛(wèi)星系統(tǒng)，相當于一個放大了幾十萬倍的LIGO。雖然兩者探測的基本原理相同，但所涉及的關鍵技術卻相當不同。吳岳良介紹道，空間引力波探測一是要保證測試質(zhì)量的無拖曳運動，二是實現(xiàn)空間長基線（百萬公里）的弱光干涉技術。
比如，衛(wèi)星的激光測距系統(tǒng)需要精確到皮米（10^-12米，納米的千分之一）級別，且控制載荷只受到引力波的影響。“這是人類能做到的精度極限。”吳岳良說道。
歐洲的“LISA探路者號”衛(wèi)星完成了部分關鍵技術的驗證。而“太極探路者號”則將首次實現(xiàn)雙星系統(tǒng)試驗。
“LISA探路者號”衛(wèi)星
2016年來到日地第一拉格朗日點（衛(wèi)星在該點上的軌道周期與地球公轉周期一致）的“LISA探路者號”攜帶了兩個質(zhì)量2千克的金鉑合金立方體，相隔距離38厘米。立方體受到衛(wèi)星環(huán)境的保護，理論上只有引力波能擾動它們的自動落體同步性。“LISA探路者號”實驗證明，對這種擾動的測量精度能夠達到皮米級別。
此外，衛(wèi)星上的微型推進器實現(xiàn)了高精度地調(diào)整衛(wèi)星運動路線，以保證立方體能自由下落而不受干擾。1000個這樣的推進器才能推動地面上的一張紙。
“LISA探路者號”衛(wèi)星 歐洲空間局 圖
雖然“LISA探路者號”的降噪精度超過了目標精度的5倍，令人喜出望外，但LISA項目本身卻有些波折。
1990年代，歐洲空間局和美國國家航天航空局（NASA）開始合作發(fā)展LISA（激光干涉儀空間天線）項目。這也是目前國際上發(fā)展相對最成熟的空間引力波探測計劃。
2011年，由于NASA的退出和歐洲經(jīng)費的縮減，LISA演化為eLISA項目，從3顆衛(wèi)星6路激光干涉削減為3顆衛(wèi)星2路激光干涉。隨后，歐空局邀請中國加入該項目，承擔其中20%的經(jīng)費。
2017年6月， LISA入選歐空局“宇宙觀十年計劃（2015-2025）”中最高的L級任務，經(jīng)費上限10.5億歐元。幾乎同時，NASA宣布回歸空間引力波探測，eLISA又重新回到了LISA項目。
LISA預期在2021年完成關鍵技術研究，爭取在2030年左右發(fā)射衛(wèi)星。
吳岳良對此表示，中科院始終保持著兩條路線，在參與LISA每一次合作會議的同時，堅持探索自主的引力波空間探測計劃。“太極計劃”幾乎覆蓋LISA的引力波探測頻段，且在中等質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)對應的頻段比LISA具有更高的探測靈敏度。
“太極計劃”衛(wèi)星組平面與黃道面成60度夾角
“太極計劃”將幫助科學家了解宇宙中第一代種子黑洞是否由暗物質(zhì)形成，又是如何成長為大質(zhì)量和超大質(zhì)量黑洞的。同時，科學家能借此研究引力波的極化，探索引力的本質(zhì)。
其他引力波探測計劃
LIGO成功探測到引力波后，中國迅速跟進布局。目前，中國的引力波探測大致兵分三路。在“太極計劃”之外，中山大學也提出了一個獨立的空間引力波探測項目“天琴計劃”。“天琴計劃”同樣是一個三星系統(tǒng)，位于距離地球約10萬公里的地球軌道，組成邊長約15萬公里的三角
“太極計劃”、LISA的太陽軌道（上）與“天琴計劃”的地球軌道（下） Science雜志 圖
吳岳良指出，“太極計劃”在太陽軌道上運行，一是可避開地球重力梯度噪聲的影響；二是衛(wèi)星組平面與黃道面成60度夾角，使衛(wèi)星始終面對太陽保持熱輻射的穩(wěn)定性，滿足探測器溫度變化控制在百萬分之一的要求。
此外，中科院高能所正牽頭在海拔5100米的西藏阿里建設原初引力波項目，聆聽大爆炸后的宇宙初啼。一期望遠鏡預計在2020年開始觀測。
國際上，美國和日本各自提出了“大爆炸觀測者”和DECIGO計劃，著重探測與地面和LISA之間的中頻0.1-1.0赫茲引力波。不過，兩者所要求的探測精度更高、經(jīng)費更高，目前項目進展緩慢。