“太极计划”奏响宇宙乐章

2016年2月11日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）宣布探测到引力波，远在13亿光年之外的两个黑洞相撞产生的“巨响”从此刻开始传遍整个地球。听到“巨响”后，我国迅速做出反应，启动了“引力波探测”重点专项，致力于进一步揭示宇宙之谜。

2021年，“引力波探测”重点专项第一期任务“星间激光干涉测量系统分析与设计”项目启动会在北京召开，项目首席科学家、中国科学院力学研究所研究员罗子人在表示：“宇宙像一个无限延伸的球，人类对宇宙的探测走得越远，遇到的问题越多。”为中国引力波探测事业发展加薪助燃，使人类可以管窥更多宇宙的浩渺和神秘，正是这一任务以及执行团队所要达到的目标。

捕捉时空涟漪

引力波是一种“时空涟漪”，就像是一块石头被丢进平静的湖里而产生的波纹。它最初只是阿尔伯特·爱因斯坦的一个理论构想，来源于方程式的推导，而非真实的实验观察。爱因斯坦在他的广义相对论中预言了引力波的存在，他认为某些质量非常大、速度变化又非常快的物体，会对周围时空结构产生扰动，引力波就是时空扰动向外传递的微小涟漪。这种涟漪有多微小呢？爱因斯坦说，引力波小到永远无法被观测到。

起初，“引力波是否能被探测到”一度是一个有争议的问题。为了寻找引力波，一众科学家做了各式各样的尝试，直到1974年脉冲双星PSR B1913+16的发现才间接证明了引力波是存在的。接下来就是直接探测引力波，20世纪80年代，立足于物理学家雷纳·韦斯提出的“利用激光干涉仪来探测引力波”想法，美国启动了激光干涉引力波天文台（LIGO）计划，致力于建设世界上最大的引力波探测仪。2002年，LIGO搭建完成并开始了对引力波的探测。

2016年2月11日，LIGO宣布他们在2015年9月14日观测到了来自两个黑洞并合时释放的引力波，并推测出两个黑洞的质量分别为36及29个太阳质量，并合后的质量为62个太阳质量（缺失的3个太阳质量以引力波的能量辐射出来），距离我们约13.4亿光年。至此，人类历史上第一次直接观测到了引力波。

我国科学家从2008年开始启动中国空间引力波探测计划的研究，由中国科学院牵头组织全国优势力量成立论证组，胡文瑞院士为第一任组长；2012年，中国科学院牵头成立了我国空间引力波探测工作组，由吴岳良院士担任组长，并首次提出了基于日心轨道方案的中国空间引力波探测计划，此计划于2016年被命名为“太极计划”，吴岳良院士为首席科学家，胡文瑞院士为首席顾问。“太极计划”将打开中低频段（0.1mHz～1Hz）的引力波观测窗口，为人类研究宇宙起源与演化、黑洞起源与演化、引力本质、暗能量和暗物质等提供全新的方法和手段。由于空间引力波探测涉及一系列关键技术，“太极计划”提出了“单星”“双星”和“三星”三步走的发展路线图。罗子人就是“单星”任务——“太极一号”核心测量分系统的主任设计师。

据罗子人介绍，“太极一号”的任务主要是验证空间引力波探测技术路线的可行性。不同于地面探测，在太空中，人类能探测到中低频段的引力波信号，能够发现天体质量更大、距离更遥远的引力波波源，揭示更为丰富的天体物理过程。然而，由于引力波信号极其微弱，实施空间引力波探测挑战巨大，需要突破目前人类精密测量和控制技术的极限。所涉及的核心技术包括高精度星间激光干涉系统、引力参考传感器、超高精度无拖曳控制、微牛级推进器、超稳超静卫星系统等。“太极一号”卫星正是瞄准了这一重大科技前沿，对这些核心技术的可行性和实现途径进行在轨验证。

“太极计划的关键技术很重要，但发展这些关键技术的技术路线也很重要。如果技术路线走得不对，那对整个研究计划会产生重大影响。”罗子人所在团队只用了不到一年的时间就完成了“太极一号”的研制工作。虽然时间紧、任务重，但整个团队顶住压力取得了令人满意的结果。2019年8月31日，“太极一号”成功发射，并圆满完成了第一阶段的在轨测试。为了让这颗卫星发挥更大的价值，罗子人团队在卫星上搭载了质量激光干涉仪和引力参考传感器两个核心系统，实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量。此外，他们还在该卫星上成功进行了我国首次在轨无拖曳控制技术试验，并在国际上首次实现了微牛级射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证。可以说，“太极一号”从零到一的突破，验证了我国空间引力波探测“太极计划”技术路线的可行性。同时，“太极一号”圆满完成在轨测试也标志着“太极计划”三步走中第一步任务目标已成功实现，并转入拓展实验阶段。

“以前，我们总是听到一些声音：中国在引力波探测研究方面是不是和国外差距很大？毕竟人家在20世纪80年代就开始做了，咱们才刚刚起步，这种差距怎么能追上？但是，‘太极一号’发射成功以后，这些声音渐渐消失了。因为大家发现，中国与国外的差距其实并没有想象中那么大，中国有中国的优势。咱们国家只要决定做一件事情，可以集中全国的优势力量去达到目标。”罗子人说道。

对技术路线可行性验证通过后，项目团队将进一步开展地面关键技术攻关，并瞄准“太极计划”第3步——“太极三号”的目标进行展开。但受地面条件如百万千米臂长模拟、地面噪声水平等的限制，无法对所有关键技术进行真实检验。为此，须通过“太极二号”双星计划对“太极计划”绝大部分关键技术进行高指标的在轨验证，帮助判断地面所做的测试、分析、评估和拓展等实验是否合理，提升关键技术的稳定性和可靠性，降低空间引力波探测“太极计划”的技术风险。在“太极二号”的攻关任务中，罗子人担任首席科学家助理，他说：“我们希望‘太极二号’的关键技术验证能够覆盖‘太极三号’的所有关键技术，并且在指标上能够实现相同或者差距不大这样一个水平。这样的话，‘太极二号’发射之后，我们就敢拍着胸脯说‘太极三号’肯定没问题。”

如今，罗子人团队的付出迎来了回馈：“太极一号”已经完成在轨任务，在验证了空间引力波探测关键技术的基础上，基于北斗导航数据以及星载引力参考传感器数据，完成了我国首次全自主的全球重力场测绘；“太极二号”目前已完成所有关键技术的地面攻关，并且通过了现场实验验证的评审，所有关键技术达到5级以上，具备转入卫星工程阶段的状态。他们的技术正在推动中国航天迈向更遥远的深空。

团队合影

开启“引力宇宙”

2015年，LIGO首次探测到引力波后，世界范围内研究引力波的热情再次被点燃。是年年底，罗子人从德国回到中国科学院力学研究所专职从事太极项目的研究，从此一心扑在“太极一号”的研制工作中。“我们的团队很年轻，平均年龄才30多岁。正是因为‘太极一号’的成功，所以得到了相关领导的信任，我们可以在‘太极二号’中继续贡献力量，也承担了‘引力波探测’重点专项的星间激光干涉测量系统分析与设计研究。”

“引力波探测”重点专项将为我国在激烈的国际竞争中抢占先机奠定坚实基础。在科学目标上，我国的“引力波探测计划”既包含与LISA（eLISA）波段重叠的波源，如超大质量黑洞的并合、极大质量比绕转系统和河内白矮星绕转等，又包含有别于LISA的中质量黑洞并合过程的波源。对这些引力波源的探测，不仅能探测到单例黑洞并合过程中强引力场的一些性质，以检验广义相对论并测量黑洞的很多参数，还将直接给出对冷暗物质相关模型的限制，对理解宇宙早期演化、星系结构形成、超大质量黑洞的形成和成长等重大天文问题提供直接观察数据。对低红移星团中的中质量黑洞俘获小黑洞所释放的引力波的探测，还将对理解球状星团、年轻星团及矮星系等结构，以及星团与星系间的关系，提供一条重要的途径。

“我们的计划是希望我国的引力波探测器能够跟欧美合作的LISA同时上天，大概在2030年前后。因为很多引力波的波源，通过电磁手段已经观测到了。银河系的一些致密双星系统，通过计算发现它们辐射的引力波信号强度非常强，所以探测器上天以后应该可以马上观测到引力波信号。到那时，中国才有望开启‘引力宇宙’。”罗子人说道。

现如今，“星间激光干涉测量系统分析与设计”已完成中期考核，各项指标通过了现场实验验证的评审，进展状态良好。更值得高兴的是，整个团队在研究过程中一步步发展壮大，一批年轻人迅速成长起来，并在核心岗位上逐步发挥不可替代的作用。数据处理和噪声建模方向的徐鹏研究员、激光干涉仪和相位计研究方向的刘河山副研究员、引力参考传感器和锁紧释放研究方向的齐克奇副研究员、地面实验验证与实验方案设计研究方向的牛宇副研究员、星间激光捕获与跟瞄研究方向的高瑞弘助理研究员……这些后起之秀皆是我国探索深空的未来生力军。

罗子人说：“引力波探测是一项久久为功的事业。宇宙有多大，我们的舞台就有多大；宇宙有多远，我们的志向就有多远。”在这条道路上，中国科研团队仍在不懈奋斗探索，以科学技术奏出更多宇宙华章。