聆聽來自宇宙的聲音：空間引力波探測(cè)太極計(jì)劃的新突破
發(fā)布時(shí)間：2024-04-16瀏覽次數(shù)：93
以下文章來源于悅智網(wǎng) ，作者高瑞弘、王少鑫等
引力波為探索和認(rèn)識(shí)未知世界提供了新的重要途經(jīng)和手段，空間引力波探測(cè)是世界各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的科學(xué)前沿。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所作為太極計(jì)劃的核心參與團(tuán)隊(duì)開展了空間引力波探測(cè)所需的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究，突破了皮米級(jí)激光干涉測(cè)量技術(shù)及高精度弱力測(cè)量技術(shù)、搭建了納弧度級(jí)激光捕獲跟瞄一體化地面模擬系統(tǒng)、研制了國(guó)內(nèi)首套光粘干涉儀樣機(jī)，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)國(guó)際空間引力波探測(cè)的首次突破。
當(dāng)我們仰望天空，蒼穹上的點(diǎn)點(diǎn)星光總讓人著迷；當(dāng)我們望向遠(yuǎn)方，生命來自何處又歸向何方的思緒亦常涌上心頭。茫茫宇宙珍藏了世間美好又埋藏了無數(shù)秘密，為窺探其中的奧秘，人類從未停止探尋天空的腳步，人造衛(wèi)星、射電望遠(yuǎn)鏡、空間站、載人航天讓我們一步一步拉近與宇宙間的距離，然而暗能量、暗物質(zhì)、黑洞起源、早期宇宙相變等傳統(tǒng)探測(cè)手段無法觀測(cè)的現(xiàn)象又一次次見證了我們的渺小。幸運(yùn)的是，引力波為探索和認(rèn)識(shí)未知世界提供了新的重要途經(jīng)和手段。如果說電磁波讓我們看到了浩瀚的星空，那么引力波就讓我們聽到了來自宇宙的聲音。
引力波是愛因斯坦廣義相對(duì)論中最重要的預(yù)言之一，由物質(zhì)和能量的劇烈運(yùn)動(dòng)和變化所產(chǎn)生，在行進(jìn)過程中擠壓或者拉伸時(shí)空，類似于水面泛起的漣漪一般，以光速向外傳播。引力波提供了有別于電磁波的全新的觀測(cè)宇宙的窗口，通過引力波探測(cè)將可能揭開暗能量和暗物質(zhì)的神秘面紗，為我們呈現(xiàn)一幅更完整的宇宙圖景，同時(shí)為揭示引力本質(zhì)、發(fā)現(xiàn)引力子和探索大統(tǒng)一理論提供了一個(gè)不可替代的途徑。相較于電磁波而言，引力波與物質(zhì)之間作用十分微弱，可以沒有能量損耗地穿透任何物質(zhì)。對(duì)于深空及極端條件探測(cè)，如大質(zhì)量黑洞合并、超新星引力坍縮、致密雙星系統(tǒng)、大爆炸留下的背景輻射等，引力波將成為有力的探測(cè)手段。因此，引力波被稱為物理學(xué)皇冠上的明珠，是科技強(qiáng)國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的科學(xué)前沿。
然而由于引力波信號(hào)非常微弱，探測(cè)難度極大，從愛因斯坦提出預(yù)言開始整整100年的時(shí)間里，各國(guó)科學(xué)家們經(jīng)過了無數(shù)次的嘗試，終于在2016年通過美國(guó)的地面引力波探測(cè)天線LIGO成功實(shí)現(xiàn)了人類歷史上首次引力波信號(hào)的探測(cè)。受限于地面噪聲及地面實(shí)驗(yàn)尺度的限制，LIGO僅能測(cè)量10赫茲以上高頻段的引力波信號(hào)，而0.1毫赫茲 ～1赫茲的中低頻段具有極其豐富的波源，具有更深刻的宇宙學(xué)和天文學(xué)意義，對(duì)應(yīng)更重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用前景?？臻g引力波探測(cè)可擺脫地面實(shí)驗(yàn)的限制，在太空開展百萬公里級(jí)精密激光干涉測(cè)量，實(shí)現(xiàn)中低頻引力波信號(hào)的探測(cè)，是世界各國(guó)逐鹿的下一個(gè)科技制高點(diǎn)，但也將面臨比地面探測(cè)更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
太極計(jì)劃是由中國(guó)科學(xué)院牽頭發(fā)起的空間引力波探測(cè)計(jì)劃，擬發(fā)射3顆衛(wèi)星在太空構(gòu)建300萬公里臂長(zhǎng)等邊三角形編隊(duì)，衛(wèi)星間兩兩通過激光建立連接。當(dāng)引力波信號(hào)經(jīng)過時(shí)會(huì)引起時(shí)空的彎曲進(jìn)而改變光束在兩測(cè)量點(diǎn)間傳輸?shù)木嚯x，利用高精度激光干涉儀對(duì)這個(gè)距離變化進(jìn)行讀出即可實(shí)現(xiàn)引力波信號(hào)的反演，有望實(shí)現(xiàn)國(guó)際上首次中低頻段引力波信號(hào)的探測(cè)。然而測(cè)量原理看似簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來卻困難重重，測(cè)量技術(shù)的發(fā)展將起到?jīng)Q定性的作用。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所作為太極計(jì)劃的核心參與單位，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的長(zhǎng)期支持下，致力于推動(dòng)我國(guó)空間引力波探測(cè)事業(yè)的發(fā)展，與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、國(guó)科大杭州高等研究院、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院等單位組成研究團(tuán)隊(duì)，深入開展空間引力波探測(cè)科學(xué)載荷研究，突破了皮米級(jí)位移測(cè)量、納弧度級(jí)角度測(cè)量和高精度慣性基準(zhǔn)構(gòu)建等技術(shù)難題，參與研制的“太極一號(hào)”實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星邁出了中國(guó)空間引力波探測(cè)的第一步。
分毫不差的精確：激光干涉儀
為了在空間中探測(cè)微弱的引力波信號(hào)，需要在百萬公里量級(jí)的距離上分辨出皮米級(jí)的位移變化，相當(dāng)于在10倍地月距離的尺度下分辨一個(gè)原子尺寸的百分之一，形容為大海撈針真是毫不夸張。常規(guī)的測(cè)量手段顯然難以實(shí)現(xiàn)如此高的測(cè)量精度，因此我們考慮采用一把特殊的尺子——激光。激光的波長(zhǎng)通常為百納米至微米量級(jí)，構(gòu)建激光外差干涉儀提取干涉信號(hào)的相位，可對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)一步細(xì)分，是目前實(shí)現(xiàn)皮米級(jí)位移分辨的有效手段。因此，空間引力波探測(cè)以激光外差干涉作為其核心測(cè)量方法學(xué)，激光干涉儀則是實(shí)現(xiàn)測(cè)量的主要器件。
激光干涉儀主要由激光器、光學(xué)平臺(tái)及相位計(jì)3部分組成，激光由激光器發(fā)出后通過不同功能的光學(xué)鏡片引導(dǎo)，在光學(xué)平臺(tái)上形成不同功能的干涉儀，其中一路通過望遠(yuǎn)鏡發(fā)射，傳播300萬公里的距離后到達(dá)遠(yuǎn)端衛(wèi)星，與遠(yuǎn)端衛(wèi)星搭載的干涉儀本地光束進(jìn)行干涉，之后由相位計(jì)測(cè)量拍頻信號(hào)的相位以此來反演光程變化。為了實(shí)現(xiàn)皮米級(jí)位移分辨，干涉測(cè)量系統(tǒng)中任何一點(diǎn)微小的擾動(dòng)都可能像扇動(dòng)翅膀的蝴蝶一般對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。由此可以看出，皮米級(jí)激光干涉儀的核心問題在于溯源噪聲、了解噪聲與抑制噪聲。
在激光干涉儀研究方面國(guó)外起步較早，經(jīng)過20多年的技術(shù)積累，目前對(duì)空間引力波探測(cè)激光干涉儀系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)已較為清晰，對(duì)限制干涉儀測(cè)量精度的各類噪聲分別進(jìn)行了較為細(xì)致的建模與驗(yàn)證，并且進(jìn)行了較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)各類噪聲的基本性質(zhì)進(jìn)行了全面分析并研制了多套不同功能的激光干涉儀。國(guó)內(nèi)方面起步相對(duì)較晚，在國(guó)外核心器件及技術(shù)封鎖的背景下，太極團(tuán)隊(duì)獨(dú)立開展研究，目前已取得了重大突破。
在激光干涉儀系統(tǒng)噪聲分析方面，研究團(tuán)隊(duì)以皮米級(jí)激光測(cè)距指標(biāo)為頂層指標(biāo)，對(duì)組成部分各單機(jī)載荷進(jìn)行逐步剖析，建立了太極計(jì)劃干涉儀系統(tǒng)的噪聲指標(biāo)體系。研究表明，激光器的頻率抖動(dòng)、衛(wèi)星平臺(tái)的振動(dòng)、光學(xué)平臺(tái)的熱脹冷縮、干涉儀受到的應(yīng)力變化、探測(cè)器的背景噪聲、光學(xué)系統(tǒng)的雜散光等看似微小的擾動(dòng)均會(huì)對(duì)皮米級(jí)測(cè)量精度產(chǎn)生不可忽視的影響。以上述研究為基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了噪聲影響機(jī)制，對(duì)主要噪聲分別進(jìn)行了建模與驗(yàn)證，從主動(dòng)抑制、共模噪聲消減和數(shù)據(jù)后處理3個(gè)方面開展了噪聲抑制方案研究，提出了激光干涉測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建方案。
而在激光干涉儀研制方面，研究團(tuán)隊(duì)完成了國(guó)內(nèi)首套光粘干涉儀樣機(jī)研制。所謂的光粘是一種通過構(gòu)建不同材料間共價(jià)鍵的方式實(shí)現(xiàn)玻璃基板與光學(xué)鏡片間無應(yīng)力粘接的技術(shù)，利用光粘技術(shù)，玻璃鏡片就像是從基板上“生長(zhǎng)”出來一樣，二者成為一個(gè)整體。之所以采用這樣的技術(shù)，主要是因?yàn)榭梢栽诒ＷC足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性的同時(shí)極大程度提高系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，避免材料熱脹冷縮產(chǎn)生的光程噪聲對(duì)皮米測(cè)量精度的影響。除采用光粘技術(shù)外，所研制的激光干涉儀采用一體化設(shè)計(jì)，充分考慮了多功能復(fù)用，不僅具備三路干涉測(cè)量，還具備激光通信、對(duì)鐘、超前指向、Backlink等輔助功能。目前利用光粘干涉儀樣機(jī)及自主研發(fā)的16通道相位計(jì)，實(shí)現(xiàn)了毫赫茲頻段皮米甚至優(yōu)于皮米量級(jí)的地面測(cè)試精度。
百步穿楊的精準(zhǔn)：激光捕獲跟瞄系統(tǒng)
激光干涉儀進(jìn)入工作模式是建立在3顆衛(wèi)星彼此間激光光束對(duì)準(zhǔn)的前提下。受限于導(dǎo)航定位精度，3顆衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道后各自的激光干涉儀并不能直接“看”到對(duì)方；不僅如此，激光干涉儀還不滿足于“看”到彼此，它們需要對(duì)方的眼里只有自己。干涉儀平臺(tái)間光束的指向抖動(dòng)需被控制到納弧度量級(jí)以保證皮米級(jí)干涉測(cè)量精度，這相當(dāng)于從地球上投籃投進(jìn)月球上一個(gè)籃筐的小角度。為此，太極計(jì)劃衛(wèi)星上配備了專門的激光捕獲跟瞄系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)百步穿楊般的精準(zhǔn)。然而，太極計(jì)劃對(duì)激光捕獲跟瞄系統(tǒng)的需求還遠(yuǎn)不止超高的精準(zhǔn)。由于光束在自由空間中傳輸了300萬公里的距離，在接收衛(wèi)星處光束會(huì)因發(fā)散而變得非常大，進(jìn)入接收衛(wèi)星內(nèi)的光僅占整個(gè)光束的一小部分，經(jīng)估算光功率僅有百皮瓦量級(jí)，因此捕獲跟瞄系統(tǒng)還需要在“黑暗”的條件下工作。
為了完成如此艱巨的任務(wù)，目前太極計(jì)劃擬采用三級(jí)捕獲探測(cè)方案。第一級(jí)采用星敏感器確定衛(wèi)星姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)光束的初始指向。星敏感器雖然精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到納弧度級(jí)角度分辨率，但因其視場(chǎng)很大可進(jìn)行大范圍探測(cè)，非常適用于初始指向階段。第二級(jí)采用電荷耦合器件（CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）捕獲相機(jī)進(jìn)行掃描探測(cè)，初始指向后兩個(gè)衛(wèi)星的方向被限制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，我們稱其為不確定區(qū)域。調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)可使光束對(duì)不確定區(qū)域進(jìn)行完整的掃描，在某一時(shí)刻光束將進(jìn)入接收衛(wèi)星并在其捕獲相機(jī)上成像一個(gè)光斑，我們計(jì)算光斑中心的位置，并將其與地面標(biāo)定好的相機(jī)參考位置進(jìn)行比較，由此可推算出光束的指向偏差，依此來調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)即可完成光束的捕獲過程。捕獲相機(jī)相比星敏感器雖然視場(chǎng)較小，但其探測(cè)靈敏度更高，可進(jìn)一步縮小不確定區(qū)域至第三級(jí)探測(cè)器視場(chǎng)之內(nèi)。然而，截至目前納弧度級(jí)的測(cè)角需求依然沒能滿足，重任落到了第三級(jí)探測(cè)器即四象限探測(cè)器的肩上。通常來說，四象限探測(cè)器利用各象限間光強(qiáng)的差異來計(jì)算角度偏差，但這種強(qiáng)度敏感的方案因暗電流噪聲的影響難以達(dá)到要求。太極計(jì)劃考慮采用一種稱為差分波前傳感的技術(shù)，利用各象限探測(cè)的干涉信號(hào)，通過對(duì)波前偏差進(jìn)行分辨來實(shí)現(xiàn)納弧度級(jí)的測(cè)量分辨率，依此來調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)即可完成光束的高精度跟瞄。
可以看出，納弧度級(jí)的激光捕獲跟瞄不僅依賴于高精度角度測(cè)量技術(shù)，還依賴于各個(gè)探測(cè)階段間的配合，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述兩方面均開展了研究。在測(cè)量技術(shù)方面，分析了捕獲相機(jī)背景噪聲對(duì)光斑中心定位精度的影響，設(shè)計(jì)了適用于弱光探測(cè)的高精度質(zhì)心算法；分析了跟瞄階段采用的差分波前傳感技術(shù)的非線性特性及零偏特性對(duì)鏈路建立過程的影響，提出了捕獲跟瞄光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；在整體方案驗(yàn)證方面，搭建了國(guó)際首個(gè)空間引力波探測(cè)激光捕獲跟瞄一體化地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可在充分模擬在軌運(yùn)行工況的情況下，實(shí)現(xiàn)激光捕獲跟瞄全流程自動(dòng)模擬。實(shí)驗(yàn)獲得的激光捕獲精度優(yōu)于1 微弧度，跟瞄精度在毫赫茲頻段達(dá)到納弧度水平，均可滿足太極計(jì)劃要求，充分驗(yàn)證了捕獲跟瞄測(cè)量方案及技術(shù)的可行性。
不動(dòng)如山的穩(wěn)定：慣性傳感器
前文我們提到，空間引力波探測(cè)是根據(jù)空間中兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)間光束傳播的距離變化來反演引力波信號(hào)的。激光干涉儀提供了位移測(cè)量手段，激光捕獲跟瞄系統(tǒng)保障了干涉儀的正常工作，現(xiàn)在我們需要考慮的問題是去哪里找測(cè)量點(diǎn)呢？為測(cè)量微弱的引力波信號(hào)，測(cè)量點(diǎn)需要盡可能避免其他物理耦合因素引入的相對(duì)位移變化，從而處于極端穩(wěn)定的自由漂浮狀態(tài)。實(shí)際上，我們需要測(cè)量點(diǎn)在 5分鐘（一個(gè)特征周期）內(nèi)的質(zhì)心平均位置漂移僅僅在一個(gè)氫原子半徑的百分之一水平。然而，即使在非常穩(wěn)定（甚至是零擾動(dòng)）的空間環(huán)境中，依然廣泛存在著太陽(yáng)光壓、宇宙射線及電磁環(huán)境等干擾源，而這些干擾足以淹沒引力波信號(hào)，因此我們需要研究一套用于將這些噪聲隔離開的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)就是慣性傳感器。慣性傳感器的主要任務(wù)就是保持其內(nèi)部的檢驗(yàn)質(zhì)量塊在空間實(shí)現(xiàn)高精度的自由漂浮，使其成為我們需要的穩(wěn)定的測(cè)量點(diǎn)。
慣性傳感器是由檢驗(yàn)質(zhì)量、彈簧和阻尼器等組成的最基礎(chǔ)的彈簧振子系統(tǒng)，當(dāng)外部力作用于檢驗(yàn)質(zhì)量時(shí)，檢驗(yàn)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，通過測(cè)量彈簧的變形或阻尼器的阻尼力可以推導(dǎo)出外部力的大小和方向。其通過慣性原理來實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)質(zhì)量的加速度、速度和位置等信息的測(cè)量，并將該信息傳遞給無拖曳控制系統(tǒng)，無拖曳控制系統(tǒng)通過衛(wèi)星微推進(jìn)器反向補(bǔ)償來達(dá)到衛(wèi)星跟隨檢驗(yàn)質(zhì)量的目的，從而進(jìn)一步降低外界噪聲的影響。對(duì)于空間引力波探測(cè)來說，外部噪聲極其微弱，因而多采用以電容傳感和靜電力驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的測(cè)量和控制方法，能夠大大提升系統(tǒng)的測(cè)量精度，該技術(shù)也已經(jīng)在地球重力場(chǎng)測(cè)量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
慣性傳感器基本原理看似簡(jiǎn)單，但在實(shí)際的研究中，還有方方面面的設(shè)計(jì)約束條件需要考慮。比如，為了克服發(fā)射階段的環(huán)境振動(dòng)條件對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量的破壞性影響，通常系統(tǒng)都會(huì)設(shè)計(jì)一套地面鎖緊裝置來對(duì)其進(jìn)行鎖定，入軌后再以極低的初速度將其釋放以便于靜電力對(duì)其捕獲；為了降低穿透飛船到達(dá)檢驗(yàn)質(zhì)量的高能粒子，會(huì)設(shè)置一套電荷管理系統(tǒng)，通過光電效應(yīng)來中和電荷累積影響；為了精確獲取檢驗(yàn)質(zhì)量周圍電磁熱環(huán)境水平，檢驗(yàn)質(zhì)量周圍還設(shè)置有多種相應(yīng)的傳感器。除此之外，慣性傳感器的研制還需要對(duì)材料剩磁、系統(tǒng)自引力補(bǔ)償、熱傳導(dǎo)等一系列問題展開深入討論，同時(shí)慣性傳感器需要工作在具有良好溫度梯度的環(huán)境下，還配備復(fù)雜的溫度控制系統(tǒng)。因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空間引力波的高靈敏度探測(cè)，慣性傳感器通過多功能的系統(tǒng)設(shè)置和復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)來保證檢驗(yàn)質(zhì)量在軌實(shí)現(xiàn)近乎完美的自由漂浮狀態(tài)。
研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)慣性傳感器相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)開展了一系列攻關(guān)工作。其中，高精度電容傳感與靜電控制技術(shù)部分，實(shí)現(xiàn)了在毫赫茲頻段靜電驅(qū)動(dòng)控制穩(wěn)定性優(yōu)于百萬分之一的超高精度水平，首次提出并構(gòu)建了全自由度電容傳感標(biāo)定系統(tǒng)；完成了檢驗(yàn)質(zhì)量和電極籠樣機(jī)研制，集成后軸間串?dāng)_耦合優(yōu)于萬分之一；同時(shí)搭建了超高精度扭秤弱力測(cè)量地面驗(yàn)證系統(tǒng)。這些成果為實(shí)現(xiàn)空間引力波探測(cè)超高精度慣性傳感器的順利研制打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
未來，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)發(fā)展激光干涉測(cè)量、激光捕獲跟瞄及慣性傳感等關(guān)鍵技術(shù)，攻殲皮米級(jí)星間干涉測(cè)距、高精度弱光鎖相、高精度電容傳感與靜電伺服控制等技術(shù)難題，助力“太極二號(hào)”三星系統(tǒng)研制，推動(dòng)系統(tǒng)由方案研制階段轉(zhuǎn)入工程實(shí)施階段，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)國(guó)際首次百萬公里距離星間激光干涉測(cè)距實(shí)驗(yàn)及國(guó)際空間引力波探測(cè)的首次突破。
專家簡(jiǎn)介
高瑞弘：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所助理研究員。
王少鑫：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所特別研究助理。
劉河山：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所特聘骨干研究員，重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。
齊克奇：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所副研究員。
李 磐：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所副研究員，重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題負(fù)責(zé)人。
徐 鵬：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員，重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題負(fù)責(zé)人。
羅子人：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所特聘核心研究員，中國(guó)科學(xué)院微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，國(guó)科大杭州高等研究院引力波宇宙太極實(shí)驗(yàn)室副主任，空間引力波探測(cè)太極計(jì)劃首席科學(xué)家助理，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目首席。
來源：悅智網(wǎng)
編輯：K.Collider
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