揭秘我国正在研究的引力波探测计划低调的太极二号

　　2020年9月19日中国科学院院士、空间引力波探测＂太极计划＂首席科学家吴岳良说，中科院正在启动空间引力波探测计划第二步＂太极二号＂双星计划。相比于其他的空间探测计划，比如载人航天计划——神舟，中国空间站系统——天宫，中国探月工程——嫦娥，以及近期大家最关心的中国火星探测计划——天问，我国此次启动的＂太极二号＂双星计划显得相当低调。那么究竟什么是引力波探测计划，这对于我们普通人而言，会产生什么深刻的影响呢？ 何为引力波，人们如何探测引力波
　　虽然早在1916年，爱因斯坦就预言了宇宙中引力波的存在，但是一直到100年后的2015年，科学家们才首次通过科学的手段，在地面直接检测到黑洞合并产生的引力波。2017年10月16日，全球多国科学家同步举行新闻发布会，宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波，并同时＂看到＂这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。
　　LIGO检测到的电磁信号
　　我们都知道空间探测和地基探测最主要的区别，不仅在于空间可以探测到中低频段的引力波信号和发现天体质量更大、距离更遥远的引力波波源，更在于空间引力波信号极其微弱，实施空间引力波探测挑战巨大。
　　宇宙中引力波的信号极其微弱
　　那么科学家们是如何检测到这么微弱的信号呢，这就要从引力波的产生原理说起。当一个引力波通过一个观测者的时候，因为应变(strain)效应，观测者就会发现时空被扭曲。当引力波通过的时候，物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少，这个频率等于这个引力波的频率。绕转的双中子星系统被预测，在当它们合并的时候，是一个非常强的引力波源，由于它们彼此靠近绕转时所产生的巨大加速度。由于通常距离这些源非常远，所以在地球上观测时的效应非常小，形变效应小于1.0E-21。科学家们已经利用更为灵敏的探测器证实了引力波的存在。
　　目前最为灵敏的探测器是美国自然科学基金、加州理工以及麻省理工领导的LIGO计划下属的aLIGO，它的探测精度可以达到1.0E-22，这也是人类历史上第一个探测到引力波信号的引力波探测器。
　　LIGO其中一个天文台
　　LIGO内部引力和我们生活息息相关，探测引力波是我们在感受宇宙的心跳
　　很多人都认为引力与我们的生活没有什么关系，其实如果要不是引力的作用，我们根本就不可能生活在地球之上，宇宙或许也不可能像今天这般稳定。这是因为宇宙中的一切天体，彼此之间都有引力互相牵制着，因为引力，才会各自运行，不会在宇宙中横冲直闯，导致各类碰撞事故的发生。
　　正是由于引力，卫星才能顺利绕飞地球
　　就拿地球来说，如果没有引力的作用，那么我们根本没有办法在地面上立足，或许我们都将变成一个个飘浮物，飘浮在太空之中。同时，在宇宙中，星体之间的引力要比地球还要强大，所以，我们在我们这个空间之中，我们是看不到另一个时空的，这也能说明为何我们无法进入到四维空间。而当宇宙中的引力波突然变弱了，宇宙中原本发生弯曲的时空也会慢慢复原变得平坦，那个时候四维空间甚至各个维度都会在我们的眼前铺展开来，这就有点类似于《三体》中的二向箔打击。
　　在能探测到引力波之前，人类对宇宙的观测手段，经历了这么几个阶段：肉眼到光学望远镜（如哈勃望远镜），再到现在最先进的射电望远镜（中国的FAST）。如果把肉眼和光学望远镜比喻成「看」，那射电望远镜就像是「听」，而引力波就是「感知」。通过涟漪的波动，来反推出核心漩涡的信息。在我们能够探测引力波之后，意味着我们终于探测宇宙的黑暗里到底有什么。虽然暗物质无形无色，但是它有着巨大的质量，利用引力波我们终于能捕捉到它的蛛丝马迹。和引力波观测的广度相比，我们以前对宇宙的观测和认知简直如同瞎子猜谜。借用引力波之后，我们终于可以看到一个完整的宇宙。中国空间引力波探测计划早在十多年前就已布局
　　正是因为引力波如此重要，所以早在上世纪70年代，中国科学家就开始了引力波研究，可惜因种种原因停滞了十几年，造成了人才断层。直到2008年开始中科院前瞻性的论证了我国空间引力波探测的可行性，经过数十年的科学前沿研究，于2019年8月成功发射我国首颗空间引力波探测技术实验卫星——＂太极一号＂。＂太极一号＂的成功发射后传回的数据表明第一阶段在轨技术验证结果全面高于设计指标，实验结果不仅验证了‘太极计划’技术路线的正确性和方案的可行性，也为我国空间引力波探测奠基性的迈出了关键而坚实的第一步。
　　空间引力波探测技术实验卫星——＂太极一号＂
　　我国主要有三个大型引力波探测项目，一个是由中科院胡文瑞院士和吴岳良院士作为首席科学家的＂太极计划＂，它非常类似于欧洲eLISA计划，＂太极计划＂重点瞄准中等质量双黑洞合并过程，其引力波探测星组是由三颗卫星组成的等边三角形，在地球绕日轨道发射入轨后位于偏离地球-太阳方向约18-20度的位置进行绕日运行。另外一个太空计划是由中山大学罗俊院士领衔的＂天琴计划＂，相比较太极，它将位于地球之上的10万公里轨道处，三个卫星的间距也是大约在10万公里之上。第三个是由中科院高能物理研究所主导的＂阿里实验计划＂，阿里实验计划是在计划在我国西藏的阿里地区放置一个小型但具有大视场的射电望远镜，从地面上聆听原初引力波的音符。
　　天琴计划
　　任何事情都不是一蹴而就的，就如同我国发射北斗探测卫星经历了三步走的过程，我国空间引力波探测＂太极计划＂，也是确定了＂单星、双星、三星＂的＂三步走＂发展战略和路线图。中科院于2018年8月在空间科学(二期)战略性先导科技专项中立项实施＂太极计划＂单星工程任务，＂三步走＂的第一步正式启动实施。＂太极一号＂科研团队在不到一年时间里完成卫星研制，并在2019年8月底成功发射＂太极一号＂卫星。
　　北斗探测卫星经历了三步走的过程
　　与地基探测相比，在太阳轨道探测引力波可以避开地球重力梯度噪声的影响，同时还能满足探测器温度变化控制在百万分之一的要求，这也是我国积极开展空间引力波探测的重要原因。不过空间探测也无法避免引力波信号太弱这一关键性参数掣肘，这也对我国空天探测技术提出了新的要求。近期，中国科技部发布了引力波探测重点研发计划指南，将为中国引力波基础研究和相关关键技术取得重大突破奠定基础，相信未来引力波探测、太极计划也会像＂天问计划＂一样出现在我们普通百姓的日常讨论之中。#中科院启动太极计划