聆聽來自宇宙的聲音：空間引力波探測太極計劃的新突破
發布時間：2024-04-16瀏覽次數：76
以下文章來源于悅智網 ，作者高瑞弘、王少鑫等
引力波為探索和認識未知世界提供了新的重要途經和手段，空間引力波探測是世界各國競爭的科學前沿。中國科學院力學研究所作為太極計劃的核心參與團隊開展了空間引力波探測所需的多項關鍵技術研究，突破了皮米級激光干涉測量技術及高精度弱力測量技術、搭建了納弧度級激光捕獲跟瞄一體化地面模擬系統、研制了國內首套光粘干涉儀樣機，力爭實現國際空間引力波探測的首次突破。
當我們仰望天空，蒼穹上的點點星光總讓人著迷；當我們望向遠方，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，人造衛星、射電望遠鏡、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、黑洞起源、早期宇宙相變等傳統探測手段無法觀測的現象又一次次見證了我們的渺小。幸運的是，引力波為探索和認識未知世界提供了新的重要途經和手段。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論中最重要的預言之一，由物質和能量的劇烈運動和變化所產生，在行進過程中擠壓或者拉伸時空，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宇宙的窗口，通過引力波探測將可能揭開暗能量和暗物質的神秘面紗，為我們呈現一幅更完整的宇宙圖景，同時為揭示引力本質、發現引力子和探索大統一理論提供了一個不可替代的途徑。相較于電磁波而言，引力波與物質之間作用十分微弱，可以沒有能量損耗地穿透任何物質。對于深空及極端條件探測，如大質量黑洞合并、超新星引力坍縮、致密雙星系統、大爆炸留下的背景輻射等，引力波將成為有力的探測手段。因此，引力波被稱為物理學皇冠上的明珠，是科技強國競爭的科學前沿。
然而由于引力波信號非常微弱，探測難度極大，從愛因斯坦提出預言開始整整100年的時間里，各國科學家們經過了無數次的嘗試，終于在2016年通過美國的地面引力波探測天線LIGO成功實現了人類歷史上首次引力波信號的探測。受限于地面噪聲及地面實驗尺度的限制，LIGO僅能測量10赫茲以上高頻段的引力波信號，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和天文學意義，對應更重要的科學價值和應用前景。空間引力波探測可擺脫地面實驗的限制，在太空開展百萬公里級精密激光干涉測量，實現中低頻引力波信號的探測，是世界各國逐鹿的下一個科技制高點，但也將面臨比地面探測更大的技術挑戰。
太極計劃是由中國科學院牽頭發起的空間引力波探測計劃，擬發射3顆衛星在太空構建300萬公里臂長等邊三角形編隊，衛星間兩兩通過激光建立連接。當引力波信號經過時會引起時空的彎曲進而改變光束在兩測量點間傳輸的距離，利用高精度激光干涉儀對這個距離變化進行讀出即可實現引力波信號的反演，有望實現國際上首次中低頻段引力波信號的探測。然而測量原理看似簡單，實現起來卻困難重重，測量技術的發展將起到決定性的作用。中國科學院力學研究所作為太極計劃的核心參與單位，在國家重點研發計劃的長期支持下，致力于推動我國空間引力波探測事業的發展，與中國科學院大學、國科大杭州高等研究院、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、中國科學院上海技術物理研究所、中國科學院微小衛星創新研究院等單位組成研究團隊，深入開展空間引力波探測科學載荷研究，突破了皮米級位移測量、納弧度級角度測量和高精度慣性基準構建等技術難題，參與研制的“太極一號”實驗衛星邁出了中國空間引力波探測的第一步。
分毫不差的精確：激光干涉儀
為了在空間中探測微弱的引力波信號，需要在百萬公里量級的距離上分辨出皮米級的位移變化，相當于在10倍地月距離的尺度下分辨一個原子尺寸的百分之一，形容為大海撈針真是毫不夸張。常規的測量手段顯然難以實現如此高的測量精度，因此我們考慮采用一把特殊的尺子——激光。激光的波長通常為百納米至微米量級，構建激光外差干涉儀提取干涉信號的相位，可對波長進一步細分，是目前實現皮米級位移分辨的有效手段。因此，空間引力波探測以激光外差干涉作為其核心測量方法學，激光干涉儀則是實現測量的主要器件。
激光干涉儀主要由激光器、光學平臺及相位計3部分組成，激光由激光器發出后通過不同功能的光學鏡片引導，在光學平臺上形成不同功能的干涉儀，其中一路通過望遠鏡發射，傳播300萬公里的距離后到達遠端衛星，與遠端衛星搭載的干涉儀本地光束進行干涉，之后由相位計測量拍頻信號的相位以此來反演光程變化。為了實現皮米級位移分辨，干涉測量系統中任何一點微小的擾動都可能像扇動翅膀的蝴蝶一般對測量精度產生嚴重影響。由此可以看出，皮米級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外起步較早，經過20多年的技術積累，目前對空間引力波探測激光干涉儀系統的認識已較為清晰，對限制干涉儀測量精度的各類噪聲分別進行了較為細致的建模與驗證，并且進行了較為嚴謹的實驗驗證，對各類噪聲的基本性質進行了全面分析并研制了多套不同功能的激光干涉儀。國內方面起步相對較晚，在國外核心器件及技術封鎖的背景下，太極團隊獨立開展研究，目前已取得了重大突破。
在激光干涉儀系統噪聲分析方面，研究團隊以皮米級激光測距指標為頂層指標，對組成部分各單機載荷進行逐步剖析，建立了太極計劃干涉儀系統的噪聲指標體系。研究表明，激光器的頻率抖動、衛星平臺的振動、光學平臺的熱脹冷縮、干涉儀受到的應力變化、探測器的背景噪聲、光學系統的雜散光等看似微小的擾動均會對皮米級測量精度產生不可忽視的影響。以上述研究為基礎，團隊進一步分析了噪聲影響機制，對主要噪聲分別進行了建模與驗證，從主動抑制、共模噪聲消減和數據后處理3個方面開展了噪聲抑制方案研究，提出了激光干涉測量系統構建方案。
而在激光干涉儀研制方面，研究團隊完成了國內首套光粘干涉儀樣機研制。所謂的光粘是一種通過構建不同材料間共價鍵的方式實現玻璃基板與光學鏡片間無應力粘接的技術，利用光粘技術，玻璃鏡片就像是從基板上“生長”出來一樣，二者成為一個整體。之所以采用這樣的技術，主要是因為可以在保證足夠的結構強度和可靠性的同時極大程度提高系統的結構和熱穩定性，避免材料熱脹冷縮產生的光程噪聲對皮米測量精度的影響。除采用光粘技術外，所研制的激光干涉儀采用一體化設計，充分考慮了多功能復用，不僅具備三路干涉測量，還具備激光通信、對鐘、超前指向、Backlink等輔助功能。目前利用光粘干涉儀樣機及自主研發的16通道相位計，實現了毫赫茲頻段皮米甚至優于皮米量級的地面測試精度。
百步穿楊的精準：激光捕獲跟瞄系統
激光干涉儀進入工作模式是建立在3顆衛星彼此間激光光束對準的前提下。受限于導航定位精度，3顆衛星進入預定軌道后各自的激光干涉儀并不能直接“看”到對方；不僅如此，激光干涉儀還不滿足于“看”到彼此，它們需要對方的眼里只有自己。干涉儀平臺間光束的指向抖動需被控制到納弧度量級以保證皮米級干涉測量精度，這相當于從地球上投籃投進月球上一個籃筐的小角度。為此，太極計劃衛星上配備了專門的激光捕獲跟瞄系統，以實現百步穿楊般的精準。然而，太極計劃對激光捕獲跟瞄系統的需求還遠不止超高的精準。由于光束在自由空間中傳輸了300萬公里的距離，在接收衛星處光束會因發散而變得非常大，進入接收衛星內的光僅占整個光束的一小部分，經估算光功率僅有百皮瓦量級，因此捕獲跟瞄系統還需要在“黑暗”的條件下工作。
為了完成如此艱巨的任務，目前太極計劃擬采用三級捕獲探測方案。第一級采用星敏感器確定衛星姿態，實現光束的初始指向。星敏感器雖然精度遠遠達不到納弧度級角度分辨率，但因其視場很大可進行大范圍探測，非常適用于初始指向階段。第二級采用電荷耦合器件（CCD）或互補金屬氧化物半導體（CMOS）捕獲相機進行掃描探測，初始指向后兩個衛星的方向被限制在一個較小的范圍內，我們稱其為不確定區域。調整衛星姿態可使光束對不確定區域進行完整的掃描，在某一時刻光束將進入接收衛星并在其捕獲相機上成像一個光斑，我們計算光斑中心的位置，并將其與地面標定好的相機參考位置進行比較，由此可推算出光束的指向偏差，依此來調整衛星姿態即可完成光束的捕獲過程。捕獲相機相比星敏感器雖然視場較小，但其探測靈敏度更高，可進一步縮小不確定區域至第三級探測器視場之內。然而，截至目前納弧度級的測角需求依然沒能滿足，重任落到了第三級探測器即四象限探測器的肩上。通常來說，四象限探測器利用各象限間光強的差異來計算角度偏差，但這種強度敏感的方案因暗電流噪聲的影響難以達到要求。太極計劃考慮采用一種稱為差分波前傳感的技術，利用各象限探測的干涉信號，通過對波前偏差進行分辨來實現納弧度級的測量分辨率，依此來調整衛星姿態即可完成光束的高精度跟瞄。
可以看出，納弧度級的激光捕獲跟瞄不僅依賴于高精度角度測量技術，還依賴于各個探測階段間的配合，研究團隊針對上述兩方面均開展了研究。在測量技術方面，分析了捕獲相機背景噪聲對光斑中心定位精度的影響，設計了適用于弱光探測的高精度質心算法；分析了跟瞄階段采用的差分波前傳感技術的非線性特性及零偏特性對鏈路建立過程的影響，提出了捕獲跟瞄光學系統設計方案；在整體方案驗證方面，搭建了國際首個空間引力波探測激光捕獲跟瞄一體化地面實驗系統，實驗系統可在充分模擬在軌運行工況的情況下，實現激光捕獲跟瞄全流程自動模擬。實驗獲得的激光捕獲精度優于1 微弧度，跟瞄精度在毫赫茲頻段達到納弧度水平，均可滿足太極計劃要求，充分驗證了捕獲跟瞄測量方案及技術的可行性。
不動如山的穩定：慣性傳感器
前文我們提到，空間引力波探測是根據空間中兩個測量點間光束傳播的距離變化來反演引力波信號的。激光干涉儀提供了位移測量手段，激光捕獲跟瞄系統保障了干涉儀的正常工作，現在我們需要考慮的問題是去哪里找測量點呢？為測量微弱的引力波信號，測量點需要盡可能避免其他物理耦合因素引入的相對位移變化，從而處于極端穩定的自由漂浮狀態。實際上，我們需要測量點在 5分鐘（一個特征周期）內的質心平均位置漂移僅僅在一個氫原子半徑的百分之一水平。然而，即使在非常穩定（甚至是零擾動）的空間環境中，依然廣泛存在著太陽光壓、宇宙射線及電磁環境等干擾源，而這些干擾足以淹沒引力波信號，因此我們需要研究一套用于將這些噪聲隔離開的系統，這個系統就是慣性傳感器。慣性傳感器的主要任務就是保持其內部的檢驗質量塊在空間實現高精度的自由漂浮，使其成為我們需要的穩定的測量點。
慣性傳感器是由檢驗質量、彈簧和阻尼器等組成的最基礎的彈簧振子系統，當外部力作用于檢驗質量時，檢驗質量的運動狀態發生變化，通過測量彈簧的變形或阻尼器的阻尼力可以推導出外部力的大小和方向。其通過慣性原理來實現檢驗質量的加速度、速度和位置等信息的測量，并將該信息傳遞給無拖曳控制系統，無拖曳控制系統通過衛星微推進器反向補償來達到衛星跟隨檢驗質量的目的，從而進一步降低外界噪聲的影響。對于空間引力波探測來說，外部噪聲極其微弱，因而多采用以電容傳感和靜電力驅動為基礎的測量和控制方法，能夠大大提升系統的測量精度，該技術也已經在地球重力場測量等領域得到廣泛應用。
慣性傳感器基本原理看似簡單，但在實際的研究中，還有方方面面的設計約束條件需要考慮。比如，為了克服發射階段的環境振動條件對檢驗質量的破壞性影響，通常系統都會設計一套地面鎖緊裝置來對其進行鎖定，入軌后再以極低的初速度將其釋放以便于靜電力對其捕獲；為了降低穿透飛船到達檢驗質量的高能粒子，會設置一套電荷管理系統，通過光電效應來中和電荷累積影響；為了精確獲取檢驗質量周圍電磁熱環境水平，檢驗質量周圍還設置有多種相應的傳感器。除此之外，慣性傳感器的研制還需要對材料剩磁、系統自引力補償、熱傳導等一系列問題展開深入討論，同時慣性傳感器需要工作在具有良好溫度梯度的環境下，還配備復雜的溫度控制系統。因此，為了能夠實現對空間引力波的高靈敏度探測，慣性傳感器通過多功能的系統設置和復雜的系統設計來保證檢驗質量在軌實現近乎完美的自由漂浮狀態。
研究團隊針對慣性傳感器相關關鍵技術開展了一系列攻關工作。其中，高精度電容傳感與靜電控制技術部分，實現了在毫赫茲頻段靜電驅動控制穩定性優于百萬分之一的超高精度水平，首次提出并構建了全自由度電容傳感標定系統；完成了檢驗質量和電極籠樣機研制，集成后軸間串擾耦合優于萬分之一；同時搭建了超高精度扭秤弱力測量地面驗證系統。這些成果為實現空間引力波探測超高精度慣性傳感器的順利研制打下了堅實基礎。
未來，項目團隊將繼續發展激光干涉測量、激光捕獲跟瞄及慣性傳感等關鍵技術，攻殲皮米級星間干涉測距、高精度弱光鎖相、高精度電容傳感與靜電伺服控制等技術難題，助力“太極二號”三星系統研制，推動系統由方案研制階段轉入工程實施階段，力爭實現國際首次百萬公里距離星間激光干涉測距實驗及國際空間引力波探測的首次突破。
專家簡介
高瑞弘：中國科學院力學研究所助理研究員。
王少鑫：中國科學院力學研究所特別研究助理。
劉河山：中國科學院力學研究所特聘骨干研究員，重點研發計劃青年項目負責人。
齊克奇：中國科學院力學研究所副研究員。
李 磐：中國科學院力學研究所副研究員，重點研發計劃課題負責人。
徐 鵬：中國科學院力學研究所研究員，重點研發計劃課題負責人。
羅子人：中國科學院力學研究所特聘核心研究員，中國科學院微重力重點實驗室副主任，國科大杭州高等研究院引力波宇宙太極實驗室副主任，空間引力波探測太極計劃首席科學家助理，國家重點研發計劃項目首席。
來源：悅智網
編輯：K.Collider
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