太极计划：空间引力波“捕手”

“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦。”在《易经》中，“太极”二字意味着天地间最原始的状态。千百年来，人类一直执着于探索宇宙的诞生与演化。  

 

而寻找引力波，就是探索宇宙奥秘的有力手段。

 

早在十年前，中科院开始就空间引力波探测进行规划，并于2016年披露了以中科院院士胡文瑞、吴岳良为首席科学家的太极计划。

 

近日，太极计划专职科学家、中科院力学所副研究员罗子人向《中国科学报》记者透露：在中科院先导项目支持下，太极项目涉及的关键技术均在开展原理样机研制，并逐步转入工程阶段。

 

项目计划在2033年，将三颗卫星组成的探测星组发射到太空，形成一个边长300万公里的正三角形。卫星采用日心轨道，可避开地月系统引力影响，轨道始终保持对太阳入射角60°状态，使得航天器内部拥有稳定温度环境。

 

与LIGO等地面探测器不同，空间探测器能够排除地面噪声的干扰。

 

 “由于地面信号少，噪声强度大，地面探测更像是在噪声里寻找信号。”罗子人表示，“而空间探测更像是在信号堆里找信号。因为在空间引力波的探测范围内，引力波的数量非常多，波源信号强度也都比较大。”

 

如此一来，能探测到的引力波频段也更丰富。太极的探测范围在0.1毫赫兹至1赫兹之间，相对测量精度可达10-21-10-20。

 

在中低频段，有哪些更值得探索的引力波？

 

以太极计划的主要探测目标之一，超大质量黑洞并合为例。黑洞并合产生的引力波，其总质量越大，频率越低。因此数十万甚至上百万太阳质量的黑洞在并合时，会产生中低频段的引力波。

 

 “每一个星系都会有超大质量黑洞，对黑洞的形成、生长做一个全时段的探测，就能进一步了解星系的演化。”罗子人表示。

 

引力波的探测还能帮助人们获知第一代恒星较为准确的死亡时间。

 

“由于宇宙学红移效应，在宇宙在离初期，一千个太阳质量大小的黑洞产生的引力波，其频率红移后也会进入太极的测量频段。而这些黑洞很可能是第一代恒星（Pop III星）死亡后的遗迹。”罗子人解释道。

 

此外，极端质量比旋（EMRI）系统、河内双星和随机引力波，都是太极计划的探测目标。

 

为了能捕捉并区分细微的引力波信号，太极系统的设计精密而复杂。系统的测量精度要在百万公里量级达到皮米级别。

 

罗子人表示，系统内的子系统有六七十个，且子系统之间存在的耦合多达六七百项。若想让太极系统在天上正常运行工作，硬件、设计、管理等方方面面的问题都要解决好。

 

目前，激光干涉测距系统、惯性传感器系统、无拖曳控制与微推进系统和超净超稳飞行器的各项设计、研制工作正有序进行，其中一些设备有望于2020年进行在轨实验验证。

 

 

 

 

引力场中会产生波动，比如双星相互吞噬而产生的扰动，其图案与中国的太极图案相似，“太极计划”的名字也因此而得来。（图片来自网络）

 

 

 

太极系统中，由三颗卫星组成的探测星组在日心轨道上运行，质心落在地球上。（图片来自采访对象）