【編者按】

太空深處的未知，與地球上的人類有何關(guān)聯(lián)？無數(shù)代天文學(xué)家試圖回答這個問題。但它又不止是個天文學(xué)命題。

值“基礎(chǔ)科學(xué)促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展國際年”（IYBSSD）之際，中國科學(xué)院上海天文臺與澎湃新聞共同推出“光年之外”系列專題。中科院院士、“太極計劃”首席科學(xué)家吳岳良特別撰文，回溯人類探索引力波這一“時空漣漪”的一段簡史。

1915年，愛因斯坦建立的廣義相對論作為描述引力的經(jīng)典場論，打破了牛頓萬有引力定律的超距作用假設(shè)，開辟了近代物理和宇宙學(xué)研究的新紀(jì)元。愛因斯坦“廣義相對論”方程組導(dǎo)出的一個最重要的預(yù)言便是引力波。

圖1 愛因斯坦引力場方程（作者供圖）

引力波由物質(zhì)和能量的劇烈運動和變化產(chǎn)生，在時空幾何上呈現(xiàn)為時空曲率的一種波動，它在行進(jìn)過程中擠壓或拉伸時空，類似水面泛起的漣漪，以光速向外傳播。

迄今為止，人類主要依靠可見光等電磁波手段（如紅外線、射電波、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線）來探測宇宙。但宇宙學(xué)和天文學(xué)研究表明，電磁波僅能直接探測不超過5%的宇宙組分，超過95%的宇宙組分目前只能通過間接手段來研究。

有別于電磁波，引力波提供了觀測宇宙的全新窗口，成為人類探索和認(rèn)識未知世界的全新途徑和手段。因而引力波被稱為物理學(xué)皇冠上的明珠，是各國競爭的科學(xué)前沿。

引力波探測和研究可以打開通往宇宙黑暗深處未知領(lǐng)域的大門，為包括天文在內(nèi)的基礎(chǔ)科學(xué)研究提供關(guān)鍵信息，這有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。引力波將為揭示時空與引力的本質(zhì)，探索統(tǒng)一理論提供一個不可替代的途徑。

近年來，美國激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory; LIGO）合作組報告了多個引力波探測事例，實現(xiàn)了人類對引力波探測零的突破，走在了世界前列。

LIGO在引力波探測上的成功標(biāo)志著人類進(jìn)入了利用引力波進(jìn)行引力本質(zhì)、宇宙起源和演化研究的新時代。

作為地面引力波天文臺，LIGO是目前一種主流的引力波探測方式，受地面噪聲以及干涉儀尺度的限制，它的探測頻段在10赫茲以上。由于波源特征質(zhì)量小，引力波強(qiáng)度弱，它僅可探測紅移z≈1的范圍，約為120億光年（這里的紅移是指宇宙學(xué)紅移，是一種距離單位）。

實際上，宇宙中存在大量引力波源，除了由黑洞、中子星和致密星系并合產(chǎn)生的引力波外，還包括起源于宇宙早期暴漲、原初黑洞、宇宙早期相變等產(chǎn)生的引力波。其引力波頻率覆蓋了從10-18赫茲到104赫茲的寬闊頻段。

大質(zhì)量黑洞并合、大質(zhì)量黑洞俘獲其他致密天體、雙致密天體繞轉(zhuǎn)、早期宇宙相變和宇宙弦等波源都能產(chǎn)生頻率處于中低頻段的引力波。中低頻波源的特征質(zhì)量大，引力波強(qiáng)度強(qiáng)，其探測范圍可覆蓋幾乎全宇宙空間（紅移z≈12）。更高紅移、更大特征質(zhì)量和尺度的波源，有更深刻的宇宙學(xué)和天文學(xué)意義。

探測這個頻段的引力波需要擺脫地面噪聲和地面實驗尺度的限制，在太空實現(xiàn)百萬公里級精密激光干涉測量（圖2）。

圖2 不同的引力波源和對應(yīng)的探測裝置（作者供圖）

不同于地面，空間引力波探測主要瞄準(zhǔn)從幾千至幾百萬太陽質(zhì)量的超大黑洞波源，其探測頻段為中低頻（0.1毫赫茲～1赫茲)。目前在中低頻段，國際科學(xué)界尚未成功探測到引力波。

國際上最早的空間激光干涉引力波探測項目，可以追溯到1990年代的激光干涉空間天線（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）項目，它由美國航空航天局和歐洲航天局合作發(fā)展。這也是近30年來發(fā)展相對成熟的空間引力波探測計劃。

2016年，天文學(xué)家使用LISA探路者執(zhí)行LISA項目的技術(shù)包演示驗證計劃。這項在軌試驗的成功，證明了在現(xiàn)有條件下實施大型天基引力波探測的關(guān)鍵技術(shù)是可行的。

2008年，我國科學(xué)家開始探討中國的空間引力波探測計劃。

2012年，在巴黎舉辦的首屆eLISA聯(lián)盟會議上，我國科學(xué)家首次提出中國空間引力波探測計劃。

不同于LISA早期計劃的五百萬公里和eLISA計劃的一百萬公里。2016年，該計劃向外公布為“太極計劃”，由三顆間距三百萬公里的正三角形編隊的衛(wèi)星組成，以太陽為中心且質(zhì)心位于地球公轉(zhuǎn)軌道上，落后/超前地球約二十度（如圖3）。該探測方案能夠很好地避免地球重力噪聲影響，滿足高靈敏度探測所需的溫控條件。

為滿足科學(xué)目標(biāo)，循序漸進(jìn)地實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，太極計劃制定了由“太極一號、太極二號、太極三號”組成的 “三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。

“太極一號”已于2019年8月底成功發(fā)射，為我國空間引力波探測邁出了奠基性的第一步。

圖3 我國科學(xué)家提出的空間引力波探測太極計劃

空間引力波探測不僅關(guān)涉基礎(chǔ)科學(xué)研究的發(fā)展，還能極大推動一批具有戰(zhàn)略前瞻性的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，包括：高精度超穩(wěn)激光干涉儀、引力參考傳感器、超高精度無拖曳控制、微牛級推進(jìn)器、超穩(wěn)超靜衛(wèi)星平臺等。

相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，也能培養(yǎng)一批掌握前沿技術(shù)的高素質(zhì)專業(yè)人才，帶動相關(guān)前沿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

空間引力波探測仍是人類的未竟之業(yè)。但國際科學(xué)界都期待著，能早日實現(xiàn)空間引力波探測“零的突破”，它必將帶來空間科學(xué)與整個基礎(chǔ)科學(xué)的重大變革。

對于太空漣漪的探測與求索，并不遙遠(yuǎn)，正是一代又一代基礎(chǔ)科學(xué)人對于未知與遠(yuǎn)方的追問，推動著人類文明不斷向前。

（作者吳岳良系中國科學(xué)院院士，空間引力波探測“太極計劃”首席科學(xué)家。）

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“光年之外”專題，由“共話天文與人·賦能未來發(fā)展”天文論壇特別邀約國內(nèi)外頂尖天文科研工作者撰文，該論壇由中國天文學(xué)會主辦，中國科學(xué)院上海天文臺和國際天文學(xué)聯(lián)合會天文促發(fā)展辦公室東亞區(qū)域辦公室承辦，它是IYBSSD2022基礎(chǔ)科學(xué)促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展國際年系列活動之一。