臂長達300萬公里！我國“太極計劃”空間引力波探測器的工作原理是什么？

各位好，這個“太極計劃”是我目前正在從事的探測引力波的重大專項。不同于地基的引力波探測器，我們這座太空中的引力波探測器尺寸巨大，尺度可達300萬公里，接近地月距離的8倍，可謂是人類研制的最大探測器。

2015年，人類首次直接探測到雙黑洞合并產生的引力波，開啟了引力波天文學時代。經過這些年的科普，很多人應該對引力波有了一個基本的了解。為了照顧更多的朋友，我還是首先介紹一下有關引力波的基本概念。

2015年，LIGO的兩座觀測站分別探測到的引力波信號。

我打個比方，如果把宇宙想象成一張蹦床，星星是放在上面的保齡球。球越重，床陷得越深。當兩個黑洞突然撞到一起，就像猛地晃動蹦床，一圈圈“時空漣漪”會以光速向外跑——這就是引力波。

2015年美國的LIGO引力波天文臺第一次“聽見”恒星級黑洞發出的高頻引力波，可以看做是“女高音”。基于這個研究，三位美國科學家拿到了2017年諾貝爾物理學獎。但宇宙還有大量的低頻引力波，它們猶如“男低音”和“超低音”，這種頻率的引力波還沒被收錄，而“太極計劃”大科學就是中國專門去錄低頻段引力波的天線。

更酷的是，引力波真的像聲音：頻率高的像“女高音”，頻率低的像“男低音”。只要我們能造出足夠靈敏的“麥克風”，就能把宇宙這部“交響樂”完整錄下來。

電磁波只能照亮5%的宇宙，95%的宇宙要靠聽

過去人類只用“看”——望遠鏡收集可見光、無線電、X射線等電磁波。但這些只能照亮不到5%的宇宙，剩下95%的暗物質、暗能量像隱身衣，看不見。引力波因為是“時空的波紋”，可以穿透黑暗，幫我們拍到宇宙隱藏的劇情。

這相當于電磁波給宇宙拍了張照片，引力波要給宇宙錄段音。只有把“看”和“聽”結合起來，我們才能拼出宇宙真正的高清全景圖。

宇宙里的引力波也分很多頻段

LIGO只能聽“高音”，更低沉的“男低音”必須到太空去，因為地面有地震、人聲、卡車干擾，根本聽不清。換句話說，地面探測器像在學校操場聽音樂會，太空探測器就像把麥克風直接放到舞臺中央。

“太極計劃”的重要科學目標

“太極計劃”有很多很重要的科學目標，包括但不限于以下幾個方面：

1、給黑洞做“體檢”：稱體重（質量）、量體溫（自旋）、發地圖（分布）。

2.、追蹤“種子”怎么長成“大樹”：中等質量（幾百～十萬倍太陽）種子黑洞是誰生的？暗物質能不能當“種子”？小種子如何快速吃成超級大胖子？

3、找宇宙“第一代恒星”：第一代恒星質量是太陽的幾十到幾百倍，活得快死得早，太極要抓它們留下的“遺跡”。

4、給“大爆炸回聲”設上限：如果宇宙暴脹真的發生過，會留下原初引力波背景，太極將給出第一份“音量表”。

5、測“引力波的極化”：光波有偏振，引力波也有。不同極化模式對應不同引力理論，太極將提供“一票否決”級別的實測數據，幫愛因斯坦或他的挑戰者打分。

三顆衛星編隊飛行，組成300萬公里長的“引力波天線”

編隊：2033年左右，一枚火箭一次把三顆衛星送進同一軌道，繞太陽飛，整體落后地球約20°，距離地球5000萬多公里——既躲開了地球的引力噪聲，又能和地面天線愉快通信。

臂長：每兩顆衛星間隔300萬公里，正好能“共振”0.1毫赫茲–1赫茲的引力波，相當于給“男低音”量身定做的吉他弦。

激光：每顆衛星伸出兩套幾十厘米口徑的望遠鏡，互相發射紅外激光，形成三架巨大的“邁克爾遜干涉儀”。激光在300萬公里的“真空管道”里往返，相位差能測到10皮米——相當于量出北京到上海之間多出一根頭發絲的粗細。

測試質量：衛星中心懸浮著幾厘米大小合金立方體，它們才是真正的“傳感器”。引力波一來，立方體之間的距離微微抖動，衛星外殼卻被“無拖曳”系統牢牢護住，不讓任何外力碰它們。

要想保持三顆衛星相對位置始終不變，可不是一件容易的事情，這需要傳感器和推進器的精密配合。

我們利用慣性傳感器實時監測太陽風、宇宙射線造成的“推力”，精度到0.1飛牛。我們使用微推進器陣列（冷氣、離子或場致發射等多種微型發動機）隨時反向噴氣，把衛星“推”回理想軌道，讓測試質量永遠處于“自由落體”狀態。

除了利用微推進系統實時調節之外，溫控也是一個非常重要的方面。衛星外殼±0.000001℃的恒溫，避免熱脹冷縮假信號——相當于把一間教室的溫度波動控制在一根頭發絲直徑級別。

中歐的競爭與合作

除了咱們的太極計劃外，歐洲也在推進他們的引力波探測計劃“LISA"。LISA的尺度為250萬公里，比咱們的太極稍短一些。兩個探測器雖然存在競爭關系，但更具有強大的協同互補潛力。

兩個探測器雖然探測的頻段有重疊，但各自的靈敏度優勢區間不同。聯合觀測能覆蓋更寬的頻率范圍，從而捕捉到種類更豐富的引力波事件。

由于單個引力波探測器難以精確確定波源在天空中的方位。太極和LISA在日心軌道上構成一個巨大的空間干涉網絡，通過三角測量法，能將引力波源的位置精度提高幾個數量級，這就像我們用兩只眼睛（兩個探測器）才能立體定位類似。

太極和LISA如同兩位技藝超群但各有所長的“太空捕手”。它們的合作將為我們打開一扇前所未有的窗口，讓我們能更清晰、更精確地“聆聽”來自宇宙最深處的時空漣漪，共同揭開黑洞、引力乃至宇宙起源和演化的奧秘。

值得一提的是，中國團隊已突破“皮瓦級弱光鎖相”“飛牛級微推”“亞皮米穩頻”等關鍵技術，部分指標領先歐洲LISA Pathfinder一個數量級。

幾十年的堅守：從“紙上談兵”到“太空彈琴”

2008年：中科院空間科學與應用研究中心首次把“中國空間引力波探測”寫進《空間科學2050路線圖》。

2012年：成立“空間引力波探測工作組”，在eLISA聯盟大會上提出300萬公里臂長方案，歐洲人驚呼“太極參數”。

2016年：對外公布“太極計劃”。

2019年：太極一號技術驗證星升空，完成無拖曳、激光測距、慣性傳感三大技術驗證，已突破“皮瓦級弱光鎖相”“飛牛級微推”“亞皮米穩頻”等關鍵技術。

2025年：拓展引力波探測前沿、搶占空間引力波探測科技制高點，已經成為國家重大戰略，也是國家空間科學中長期發展規劃（2024--2050年）中五大主題之一“時空漣漪”的優先發展方向。

到2030年代：太極三星將發射上天，正式開麥“宇宙男低音”。

“太極計劃”的技術溢出清單，可用于回饋社會

經常有人問，探測引力波除了研究宇宙奧秘外，還有什么用？不得不說，我們的太極計劃，還真很有用。為了高精度的引力波探測，我們攻克了層層技術難關，這些新的技術完全可用于日經濟建設領域。比如：皮瓦級弱光探測，可用于下一代北斗/深空激光通信 ；飛牛級微推，可用于高精衛星姿態控制、太空垃圾清理 ；亞皮米穩頻，可用于光鐘、下一代GNSS，能讓定位誤差從厘米到毫米；超穩望遠鏡，可用于對地觀測、空間引力紅移實驗；大數據算法，可用于引力波實時處理平臺，可轉醫療信號分析、金融脈沖識別等。

21世紀以來，科學研究范式正從“小作坊”模式邁向“大科學”工程。在此浪潮中，中國一批科研重器蓬勃涌現：“中國天眼”聆聽深空電磁波，“阿里計劃”致力捕捉原初引力波，“高海拔宇宙線觀測站”探測超高能粒子，“人造太陽”攻關聚變能源，“高能同步輻射光源”解析微觀結構等等。這些大科學裝置合力拓展人類認知邊界。騰訊新聞推出《20問中國20大科學重器》大型特別策劃，邀請20位科學家，給出從宇宙起源到未來能源的權威解讀。

本文轉載自《騰訊太空》微信公眾號