“太极计划”：聆听时空泛起的涟漪

平静的湖面，会因突然掷入一个石子而泛起涟漪。同样，宇宙中发生大质量天体相撞等天文事件时，也会在时空中形成涟漪，并以波的形式向宇宙各个方向传播，这就是引力波。水面上的涟漪我们能够直接看到，但时空中的涟漪，我们怎么感受到它的存在呢？

美轮美奂的水中涟漪（图片来源：veer图库）

引力波传播示意（图片来源：LIGO/T. Pyle）

引力波是时空弯曲中的涟漪，这种波以引力辐射的形式传输能量。换句话说，引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波。

1916年，著名科学家爱因斯坦建立了广义相对论，提出了时空涟漪的概念，他说；引力波以光速传播着。但此时，引力波的存在还只是一个预言。

引力波被看作为天体发出的声音，能够使得人类可探测到基于电磁波无法观测到的宇观尺度和更多的天体现象。但人类如何感知它的存在呢？它不像水中涟漪可以看得见、摸得到啊！

探测引力波的确是件十分困难的任务。所以在爱因斯坦预言百年之后，科学家才证实了它的存在。

2016年，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）在地面探测到了双中子星合并产生的引力波信号，全世界的科学家都为这个发现而兴奋无比。据推算，本次宣布的引力波直接探测，其信号来自距离地球13亿光年的双中子星的合并事件，持续时间约200毫秒，振荡频率30--150赫兹。

2017年，诺贝尔物理学奖被颁给了三位美国科学家——雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩，以表彰他们对LIGO探测器和引力波观测的决定性贡献。（我们曾对这个迅速获得诺贝尔奖的发现做过详细的科普）

美国激光干涉引力波天文台的鸟瞰（来源：LIGO官网）

看来，我们要想“聆听”到引力波的涟漪，就要靠激光，那么激光干涉引力波天文台是如何实现这一点的呢？

引力波激光干涉仪的工作原理和常见的迈克尔逊激光干涉仪是一样的，它是光学干涉仪中最常见的一种。其工作原理如下图所示：一束入射光从光源S处发出后在分束板G被分为两束，其中一束是透射光，经过补偿镜C后被平面镜M₂反射回来，另一束是反射光，被平面镜M₁反射回来，两束光经透镜L聚焦后会到达光检测器P处。

当两束光的光程差不同时（例如M₂的位置变化了d），便会形成干涉图样，而且光程差d不同时干涉图样是不同的。这样，通过干涉中两束光的干涉图样可以测得对应光程差d大小。

迈克尔逊干涉仪的原理示意（图片来源：参考文献[2]）

在引力波激光干涉仪中，引起光程差变化的原因是时空涟漪造成的光路长度的变化。因为当引力波经过时会挤压或拉伸附近的时空，从而引起空间中不同位置的点之间的光程变化。通过分析这个光程差变化所引起的干涉信号的相位变化，人们就可以反演得知引起时空涟漪的天体物理现象。

由于激光干涉仪有着测量频段宽、灵敏度高的优势，因此很快成为引力波检测的主流探测手段。

空间干涉系统测量引力波的原理示意（图片来源：参考文献[2]）

和美国建设在地面上的激光干涉引力波天文台LIGO不同，中科院力学所和兄弟研究团队一起开始了空间引力波探测的“太极计划”。

因为不同频率的引力波对应于不同的天体物理过程，地面装置LIGO只能观测到对应于致密双星的高频引力波(>10赫兹)。力学所作为光学载荷总体单位，研发的引力波探测星组将在日心系中运行，由位于边长为300万公里的等边三角形顶点处的三颗卫星组成，进行中低频波段（1x10^-4-1.0赫兹）引力波的直接探测。

我国的“太极计划”将分为三步走。2019年8月31日，“太极一号”实验卫星成功发射，从事关键技术的验证，从而迈出了太极计划的第一步。第二步的两颗卫星预计在2024年升空。到2033年，将进行第三步的部署：一次发射三颗卫星，形成完整的星组，开展引力波的探测。

太极计划的引力波探测星组布置及运行轨道示意（图片来源：参考文献2）

“太极计划”的主要科学目标是：观测双致密星系统以及极大质量比双黑洞天体并合时产生的引力波辐射。超大黑洞并合和紧凑双星绕转等天体物理现象的代表性引力波有着不同的波形，引力波探测可以为人们理解宇宙起源、形成和演化提供科学依据。

并合星系NGC6240 和从两个超大黑洞的合并所预期产生的代表性引力波（图片来源：参考文献[1]）

紧凑双星绕转系统和预期的代表性引力波波形（图片来源：参考文献[1]）

高精度的空间激光干涉仪是实现空间引力波探测任务的关键技术。这个超精密的系统需要在百万公里量级的测距上，位移测量精度要求达到皮米量级（10^-12米，1皮米相当于1米的一万亿分之一），发射“太极一号”的一个任务是验证太极的四大核心技术：激光干涉仪，惯性传感器，无拖曳控制技术，超稳超静卫星平台。

其中，惯性传感器、无拖曳控制技术和超稳超静卫星平台等，都是为了确保激光干涉仪的正常运行。例如，所谓的“无拖曳技术”就是为了消除空间环境中太阳风、太阳辐射宇宙射线等外部环境的扰动，利用微推进器产生推力进行实时抵消，使得卫星平台成为一个高精度光学平台。

2020年的9月20日，“太极一号” 顺利完成第一阶段在轨测试任务。激光干涉仪位移测量精度达到百皮米量级，实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量。

“太极一号”发射成功（图片来源：参考文献[2]）

研制空间干涉仪要比研制地面干涉仪困难得多。考虑到太空中运行的特点，系统的冗余度加大，所以配置了三条激光链路。

此外，卫星在太空中运行时会受到太阳风等非保守力的影响，因而不能作为惯性基准。空间干涉仪采用保护在卫星内的测试质量（只受惯性力）作惯性基准。在实际的探测时，每条激光链路中，要应用三套测量系统来确定干涉臂两端间的距离变化：

一是测量卫星与其内部测试质量之间的距离变化；

二是测量干涉臂两端两颗卫星之间的距离变化；

三是测量本地卫星平台的稳定性及本底噪声。

引力波探测星组构成示意（图片来源：参考文献[2]）

从本质上讲，这三个系统都是利用迈克尔逊激光干涉原理，只不过系统结构不太一样。例如，测量两颗卫星间距离的系统中就增加了一台望远镜，用以把远端的光束进行缩束后，再与本地光学平台的光束进行干涉。

由于卫星间的相对运动会产生多普勒频移，就是说物体辐射的波长和频率会因为波源和观测者的相对运动而产生变化。因此不同于地面探测器，空间引力波探测采用激光外差干涉，即两束光的频率不同，从探测器中提取相位信息。

空间激光干涉仪探测图样（图片来源：作者提供）

为了在太空中探测到引力波，在300万公里长的星间激光干涉链路上，距离变化测量的精度要控制在皮米（pm）量级。但在空间环境中，卫星姿态会不可避免地发生抖动，这种抖动会引起额外的光程噪声，从而影响激光干涉仪的测量精度。

近年来力学所引力波实验中心精密测量团队为了减轻星间抖动光程噪声，开展了大量的理论分析和地面模拟实验工作，取得了很好的进展，并得到了国际同行的关注。

位于中科院力学所怀柔园区的皮米精度激光干涉平台（图片来源：作者提供）

“太极计划”以基础科学研究为牵引，将会使我国在空间科学研究、高端空间技术和科学卫星的整体水平上有一个质的飞跃。它开启了引力波物理和天文学以及量子宇宙物理的新纪元，推进了精密测量、超高灵敏度惯性传感器、卫星无拖曳控制、超稳超静卫星平台等下一代高端空间技术的发展。

按照我国“太极计划”三步走的线路图，2032年前后，“太极三号”将发射升空。也许在2033年，当你仰望星空时，太极星组正在离我们5000万公里的深空，聆听来自宇宙深处的声音。但别忘了，思维畅享于宇宙深处的时候，我们还要牢记科技工作者们为获取这些信号而付出的青春！

力学所引力波实验中心精密测量团队（图片来源：作者提供）