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太极计划:空间引力波“捕手”

发布日期:2018年10月15日 来源 : 中国科学报 字体: 【大】【中】【小】

  “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,在宇宙在电离初期,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。
  
  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,质心落在地球轨道上。

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