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中科院提出空间太极计划:探测中低频波段引力波
   时间:2022年08月04日
       LIGO(激光干涉引力波天文台)实验组宣布直接观测引力波信号。这一划时代的发现不仅是对爱因斯坦广义相对论的重大直接验证, 也为人类进一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了新的观测方法。经过论证, 中科院提出了空间太极计划, 规划未来几十年我国空间引力波探测的发展路线图。根据太空太极计划, 我国将在2030年前后发射由三颗卫星组成的引力波探测星群, 利用激光干涉法直接探测中低频段的引力波。太极计划的主要科学目标是观测双黑洞合并和超大质量天体合并产生的引力波辐射, 以及其他宇宙引力波辐射过程。宇宙中的引力波来自天体的能量和质量变化, 不同频率的引力波对应不同的天体物理过程。引力波谱分析表明, 地面观测到的高频(10Hz)引力波主要对应致密双星的引力辐射。 LIGO(激光干涉引力波天文台)实验团队宣布, 直接观测引力波信号属于高频信号。 1960年代, 人们开始用地面谐振天线探测引力波, 但由于灵敏度不够, 没有取得积极成果。从1990年代开始, 人们开始用激光干涉法测量地面上的引力波, 臂长可达4公里(美国LIGO)、3公里(与意大利、法国合作的VIRGO)、600米(GEO)与德国和英国合作)。, 和300米(日本TAMA300),

其技术水平比谐振天线法的探测灵敏度高出四个数量级, 使LIGO实验组最终能够直接观测到引力波信号。中频带引力波的来源主要是中等质量的致密双星(黑洞、中子星、白矮星)和大爆炸早期(10-34秒后)产生的引力波。近年来, 地基引力波探测实验装置由于空间距离的限制和地球引力梯度噪声的影响, 无法探测到10Hz以下的中低频引力波, 使得其研究目标更加有限。
       为此, 多国科学家正在加紧研究空间引力波探测计划。空间激光干涉测量中低频引力波将成为天文学和空间宇宙物理学的前沿。
        1993年, 欧洲航天局(ESA)首先提出了激光干涉空间天线(LISA)计划, 用于测量中低频段的空间引力波。 1997 年, 美国航天局 (NASA) 作为欧洲和美国的联合计划加入。 LISA 计划中的引力波来源是双星星系、超大质量双星黑洞和大质量比双星黑洞的合并、普通星系核中的大质量黑洞捕获的恒星质量黑洞、超致密双星和巨大天体的爆炸。
        2015年底, LISA关键技术验证卫星LISA-Pathfinder发射升空。计划在 2025 年左右推出(可能会延长到 2030 年或更晚)。空间激光干涉仪卫星组进行空间引力波探测。最近, 美国提出的后爱因斯坦计划包括两颗恒星, 其中一颗是大爆炸观测者, 专注于探测地面和 LISA 之间的中频引力波。日本还提出了 DECIGO 计划, 用于观测相似频段的引力波。中频带引力波的来源主要是中等质量的致密双星(黑洞、中子星、白矮星)和大爆炸早期(10-34秒后)产生的引力波。 2008年由中国科学院发起, 在中国科学院多个研究所和院外高校科研单位的参与下, 中国科学院空间引力波探测示范组成立并开始计划在我国探测空间引力波。太空太极(太极)计划工作组。根据太极计划, 我国将在2030年前后在等边三角形顶部发射由三颗卫星组成的引力波探测星群, 利用激光干涉法直接探测中低频段的引力波。卫星采用不停机技术。星座内卫星间距300万公里, 激光功率约2瓦, 望远镜直径约0.5米, 加速度噪声为3x10-15ms-2/Hz。这套规格普遍优于LISA的要求, 频率范围涵盖LISA的低频和DECIGO的中频。空间引力波太极计划涉及的学科和前端技术广泛, 包括物理学、天文学、宇宙学、天体物理学、空间科学、光学, 以及精密测量、航天技术、导航与制导、飞行器与轨道设计等, 要发展超远距离超高精度激光测量、超高灵敏度惯性传感器等下一代高端空间技术, 超高精度卫星无阻力控制。科学和深空探测的技术水平意义重大, 也将在惯性导航、地球科学、高精度卫星平台建设等应用领域发挥积极作用。空间引力波的探测和研究也需要很多先进的技术。在空间激光干涉仪中, 需要稳频锁相高功率激光器和激光干涉测量系统;需要无拖曳技术控制的高精度光学平台;需要惯性传感器来测量超低重力水平;区分由引力波引起的距离的微小变化;以及需要与实验设备集成的卫星开发。这些都是国际引力波探测计划将研究和解决的关键技术。我国目前的技术能力与国际先进水平还有一定差距。这一差距可以通过良好的国际合作来弥补。太极计划是中欧合作的国际合作计划。它有两个计划。计划一是参与欧洲航天局的eLISA双边合作计划。今年秋季, 将举行双方科学家第三次会议,

完成双方合作可行性报告, 分别报主管部门, 报双方主管部门批准后实施。国际上非常希望两套空间引力波探测系统能够同时进行空间探测并相互验证。方案二是发射一组中国引力波探测该卫星群连同将于2035年左右发射的eLISA卫星群, 邀请同时进入太空进行低频引力波探测。计划二计划于2033年前后发射, 实现我国大型先进科学卫星计划的突破。届时,

中国卫星群和eLISA卫星群将同时在太空独立进行引力波探测, 相互补充验证测量结果, 我国将成为最重要的空间引力探测基地之一。波研究世界。在基础科学研究的带动下, 我国空间科学研究、高端空间技术和科学卫星的整体水平将有质的飞跃。对于近日备受关注的中山大学启动天琴工程, 中科院力学所院士胡文瑞表示, 天琴工程不仅是引力波观测, 而且包括其他观测, 例如地球的重力测量。 ,

而太空太极计划是由中国科学院发起的。计划重点观测中低频段引力波, 观测轨道在太阳轨道上, 实现对引力波的多维观测。胡文瑞院士也表示, 中国做引力波研究的人不是太多, 而是太少。我希望越来越多的人可以一起参与到引力波的研究中来。
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