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太极计划:中国将在太空中猎捕引力波的旅程

来源:www.timetimetime.net 时间:2020-03-19 编辑:一语惊人

作者:俞韩琦来源:澎湃新闻发布时间:2018/5/23 16:11336041

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tai chi plan:中国在tai 空

中国在tai 空搜寻引力波之旅将由一对双星引领 中国科学院大学执行副院长兼太极项目/k0/]引力波探测项目首席科学家吴岳亮院士在中国科学院理论物理研究所最近的一份报告中透露,该项目计划于2020年至2025年推出太极探路者测试二进制系统,搭载空引力波探测的关键技术进行验证。

完成技术验证后,“太极计划”预计在2033年发射三颗卫星,形成边长300万公里的等边三角形,在地球发射到绕太阳轨道后,将绕地球运行,相互形成六个干涉激光。

空和地面引力波探测之间引力波探测的基本原理是一样的,只是不受地面噪声和地面距离的限制,可以探测质量和尺度更大、视野更深、更广的天体。 同时,卫星可以进行长期和多角度的观测,从而更容易确定波源。 “太极图”将主要探测中等质量和大质量双黑洞的合并

“太极图”得名于此:太极是道家文化中宇宙的起源,两个黑洞的结合与太极非常相似。

双黑洞合并产生引力波

“太极计划”的国际合作者和竞争者是由欧洲空(欧空局)牵头的LISA项目 其单一技术验证卫星“LISA探路者”于2015年底空发射,取得了比预期更成功的结果。

LISA项目中三颗卫星的预计发射时间接近“太极计划”

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引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论 时间和空在质量面前扭曲,而时间空将在拉伸和压缩过程中产生振动传播。这些振动是引力波。

2016年2月16日,在爱因斯坦广义相对论一百周年之际,LIGO宣布成功探测到两个黑洞合并产生的引力波,成为近年来的头号科学突破 领导LIGO的三位美国物理学家也毫无疑问地获得了2017年诺贝尔奖。

LIGO的本质是一个l形真空管,两臂长4公里。引力波会轻微扭曲真空管中的时间空值,导致两臂发射的激光之间的光程差。

LIGO的精髓是一根长4公里的两臂L形真空管。然而,由于空之间距离的限制和地球噪声的影响,地面激光干涉仪无法检测到低于10赫兹的引力波。可以研究的主要目标是小黑洞的合并,合并过程短,波源的位置不易确定。

边长数百万公里空的激光干涉卫星系统相当于放大了几十万倍的LIGO。 尽管检测的基本原理是相同的,但涉及的关键技术却大不相同。 吴岳亮说空之间的引力波探测是为了保证测试质量而不拖带运动,二是实现空之间长基线(百万公里)的弱光干涉技术

例如,卫星的激光测距系统需要精确到皮米(10-12米,千分之一纳米),控制负载只受引力波影响 “这是人类精度的极限 ”吴岳亮说道

欧洲的“LISA探路者”卫星已经完成了一些关键技术的验证 “太极探路者”将首次实现双星系统测试。

“LISA探路者”卫星

2016到达日本和地球的第一个拉格朗日点(此时卫星的轨道周期与地球公转周期相同)。丽莎探路者携带两个金铂合金立方体,质量为2公斤,距离为38厘米 立方体受卫星环境保护。理论上,只有引力波能干扰它们下落物体的同步。 LISA探路者实验证明,这种干扰的测量精度可以达到皮米级。

此外,卫星上的微型推进器实现了卫星运动路线的高精度调整,确保立方体可以自由下落而不受干扰。 只有1000个这样的螺旋桨能把一张纸推到地上。

"LISA探路者卫星欧洲空办公室间地图

虽然“LISA探路者”(LISA Pathfinder)的降噪精度超出目标精度5倍,这超出了预期,但LISA项目本身也有一些曲折。

1990年代,欧洲空机构间和美国国家航空航天局空机构(美国航天局)开始合作开发LISA(激光干涉仪空机构间天线)项目 这也是世界上最成熟的引力波探测计划空

2011年,由于美国宇航局的退出和欧洲资金的减少,LISA发展成为eLISA项目,从3颗卫星的6向激光干扰削减到3颗卫星的2向激光干扰。 随后,欧洲空局邀请中国加入该项目并承担20%的资金。

2017年6月,LISA被选为欧洲空局“宇宙学十年计划(2015-2025)”中的最高L级任务,资金上限为10.5亿欧元。 几乎与此同时,美国宇航局宣布在空和eLISA之间恢复引力波探测,并再次返回LISA

LISA预计到2021年完成关键技术的研究,并试图在2030年左右发射卫星

吴岳亮说,中国科学院一直坚持两条路线。在参加LISA的每次合作会议时,它都坚持探索自己的引力波空探测计划。 《太极图》几乎覆盖LISA的引力波探测频带,在对应于中等质量双黑洞系统的频带中,比LISA具有更高的探测灵敏度。

“太极计划”将帮助科学家了解宇宙中第一代种子黑洞是否是由暗物质形成的,以及它们是如何成长为巨大的超大质量黑洞的。 同时,科学家可以研究引力波的极化,探索重力的本质。

其他引力波探测计划

LIGO成功探测引力波,中国快速跟进布局 目前,我国引力波探测大致分为三条路径。 除了“太极计划”,中山大学还提出了一个独立的引力波探测项目“秦天计划”空 “秦天计划”也是一个三星系统,位于地球轨道上,距离地球约10万公里,形成一个边长约15万公里的三角形。

太极计划、LISA的太阳轨道(上)和“秦天计划”地球轨道(下)科学杂志地图

吴岳亮指出,“太极计划”运行在太阳轨道上,首先可以避免地球重力梯度噪声的影响;其次,卫星群平面与黄道平面成60度夹角,使卫星始终面向太阳,保持热辐射的稳定性,满足探测器温度变化控制在百万分之一的要求。

在国际上,美国和日本分别提出了“大爆炸观测器”(Big Bang Observer)和DECIGO计划,重点是探测地面和LISA之间0.1-1.0赫兹的中频引力波。 然而,两者都需要更高的检测精度和更高的资金,目前该项目进展缓慢。

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