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探测空间引力波,“太极一号”来了

www.lshappy.com2019-10-17
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探测太空引力波的“太极一号”来了

《经济日报》中国经济网记者沉辉

“太极一号”卫星工程的总工程师王建宇(左)向记者介绍了“太极一号”。

记者沉慧社

探索未知的宇宙,探索太空引力波。不久前,中国科学院航天科学(二期)战略试点科学技术特别发射星微重力技术实验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射,为中国航天领域的首次突破奠定了基础引力波检测。

最近成功发射的微重力技术实验卫星作为我国第一颗空间引力波检测技术实验卫星,被正式命名为“太极一号”。为什么要去遥远的空间去触摸宇宙节奏的“脉搏”? “太极一号”的亮点是什么?目前的运作情况如何?听听专家怎么说。

时间和空间涟漪

引力波是近年来科学研究的热点之一。 2012年,科学家在大型强子对撞机实验中发现了神秘的上帝粒子,这表明人类对基本粒子的理解迈出了新的一步。到目前为止,已经发现了由粒子标准物理模型预测的近61个基本粒子,唯一的例外是。科学家认为,引力波是由引力波组成的,引力是大爆炸起源的关键。

目前,人类可见物质占宇宙总体积的不到5%,也就是说,可以用标准的粒子物理模型解释的物质;超过95%的物质是暗物质和暗能量,仍然覆盖着神秘的面纱。顾名思义,“黑暗”“看不见”,并且不能对光和电流检测装置产生电磁波。但是引力波是揭示未知世界和了解宇宙起源的关键,因为暗物质和暗能量都涉及引力效应和引力效应。

简而言之,“引力波提供了不同于电磁波的观测宇宙的新窗口,并成为人类探索和认知宇宙的新途径和工具。”中国科学院副院长项立斌说。

什么是引力波?它是物质和能量的剧烈运动和变化产生的物质波。如果用水面来描述时间和空间,那么引力波就可以看作是时间和空间的尴尬。

爱因斯坦根据广义相对论预测了引力波的存在。 2016年2月,美国激光干涉引力波天文台宣布LIGO(激光干涉仪)探测器观测到了引力波的影响。人们第一次从外层空间听到了双黑洞。引力波。

太极第一首席科学家,中国科学院大学副校长吴月良说:“引力波的发现使人类能够检测到无法通过电磁波观测到的宇宙尺度和新天象。”科学。

检测挑战

征服星星和海洋注定是困难的。在日常生活中,任何物质的加速度都可以产生引力波,但是它非常微弱。吴月亮说,如果以2000 rpm的质量快速旋转质量为2000 kg,长度为1 m的哑铃,那么在3米的距离处,我们只能感觉到重力波振幅只有10负35倍。从哑铃。 33牙是如此之小,以至于目前人类最敏感的科学仪器都无法测量。

后来,实验物理学家提出了一种解决方案,可以通过较大的物体观察引力波效应,例如黑洞汇合。但是,由大质量天体(如黑洞)融合产生的重力波信号在通过宇宙到达地球时非常微弱。吴月良举了一个例子。两个1.5倍的太阳中子星以1000 rpm的速度旋转以产生引力波。可以在23平方米的23处检测到重力波强度。负20次方。

困难不能阻止人类探索宇宙的决心。在1990年代,NASA与欧洲航天局合作开发了LISA项目。计划探测到的引力波是双星系,超密集双星和大质量物体爆炸。这是世界上最成熟的空间重力波检测程序。它将在2021年完成关键技术研究,并在2034年发射卫星。

人类直接检测到地球表面上的时空束缚。为什么您必须去太空很长一段路程? “与空间重力波检测的波源特性相对应的天体质量和尺度远大于与地面重力波检测所对应的天体。”吴月良对《经济日报》记者说,与地面探测不同,中,低频段的引力可以在太空中探测到。该波信号可以探测到具有更大天体质量和更远距离的引力波源,从而揭示了更丰富的天体物理学过程。

“空间探测覆盖了引力波源的最丰富的频带。它具有大量可以检测到的天体波源,并且可以长时间观察,这有助于确定引力波源的位置。波源。”吴月良进一步解释。

中国智慧

探索广阔的宇宙,为人类文明的进步贡献更多的中国智慧,中国纲领和中国力量。中国也在采取行动。具有代表性的是在2008年开始演示的空间引力波检测“太极计划”。

根据吴月亮,不同频率的引力波反映了宇宙的不同周期和不同的天体物理学过程。 “太极计划”检测频段基本上覆盖了ESA重力波检测频段(0.1 Hz至1.0 Hz),并且在0.01 Hz至1.0 Hz频段中的检测灵敏度高于LISA。我国空间重力波探测的研究对象包括从近到远,从小到大的引力波源,探测范围可以覆盖整个空间。

由于引力波信号极弱,实现空间引力波检测是一个巨大的挑战,有必要突破目前人类精密测控技术的局限。涉及的核心技术包括高精度超稳定激光干涉仪,重力参考传感器,微负推力器,超稳定和超静音卫星平台。

根据“太极计划”,中国确立了“单星,双星,三星”和“三步走”的发展战略和路线图。 2018年8月,该项目实施了“太极计划”单星项目并启动。 “三步走”的第一步:发射“太极一号”卫星,在轨验证核心技术的可行性和实施,然后是探测太空引力波的技术能力。

时间没有浪费。 “太极一号”研究团队全力以赴,攻坚克难,勇于突破,与创新合作,并在不到一年的时间内完成了卫星研制任务。 8月31日,中国第一颗空间引力波探测技术实验卫星微引力技术实验卫星“太极一号”成功发射。

“卫星在轨测试正在有条不紊地进行。当前卫星状态正常,并且在轨测试任务的第一阶段已成功完成。”吴跃良介绍说,我国已经成功地迈出了空间引力波探测的第一步,实验结果验证了“太极计划”技术路线的正确性和可行性。

太极计划

根据第一阶段“太极一号”在轨测试和数据分析的结果,激光干涉仪的位移精度达到了一百皮克的数量级,而一百皮克的位移精度相当于一原子直径的大小;达到重力参考传感器的测量精度。地球重力加速度的大小是十亿分之一的十亿分之一,这意味着可以测量蚂蚁来加速“太极I”卫星产生的加速度。微型螺旋桨的推力分辨率达到了亚微牛的水平,这意味着可以进行微调。芝麻重量是推力大小的十分之一。

如此苛刻的测量精度只能找到引力波的痕迹。根据引力波测量原理,当引力波通过时,会导致自由悬浮液的两种测试质量(理想情况下可以视为两个粒子)之间的光程变化。科学家使用激光干涉仪测量此光程变化,以反转重力波信号。

但是引力波信号非常弱,因此带来两个问题:首先,引力波引起的光路变化很小,因此激光干涉仪的测量精度非常高。其次,如果测试质量暴露在外太空并受到太阳光压力和太阳风等因素的干扰,则测试质量会产生干扰加速,从而产生位移噪声,并且很容易使重力波信号泛滥。因此,科学家将在卫星中心测试保护的质量,没有与卫星的直接物理接触,使其不受外界干扰,测试质量将处于自由漂移状态。

但是,这样,外部干扰将作用在卫星上,从而导致卫星产生位移干扰。随着时间的流逝,卫星和测试质量将发生冲突。怎么做?科学家使用位移传感器(电容位移传感或光学传感)随时读出卫星与测试质量之间的位移变化,并将其反馈到安装在卫星上的微型螺旋桨。微型螺旋桨将产生准确而稳定的推力。卫星接收到的外部干扰功率得到补偿,因此测试质量和卫星之间的位移始终保持平衡。

“太极一号”获得了中国最高精度的空间激光干涉测量技术,并成功进行了中国第一项在轨无拖曳控制技术测试,实现了微牛RF离子和双模这是世界上第一次。霍尔电子推进技术的在轨验证为中国在太空重力波探测领域的首次突破奠定了基础。”中国科学院院士,“太极一号”总工程师王建宇卫星工程说。

一切都刚刚开始。王建宇认为,要达到太空重力波探测的技术条件可能还需要10年。例如,基于现有技术,激光干涉仪的位移精度和微螺旋桨的推力精度应提高一个数量级,重力参考传感器的测量精度应提高六个数量级。大小。

“太极计划”旨在准确测量相距300万公里的两个测试质量之间原子尺寸位移的变化。必须将干扰加速度控制在重力加速度的百分之一的水平上突破核心的核心技术也是必要的。”吴月亮说。

现在,一切都朝着正确的方向发展。根据“太极计划”,中国将在2023年之后发射“太极二号”双星,并验证大多数关键技术中的高级指标。三星“太极三号”将在2033年左右发射升空,以探测各种重力。波天体,知道万有引力。

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