“天琴计划”是由中大校长罗俊提出,拟在太空建成一个探测引力波的天文台

据新华社电 12月20日,随着长征四号乙运载火箭腾空而起,“天琴一号”技术试验卫星成功飞向太空。

这是我国首颗由国家立项面向未来引力波空间探测的技术试验卫星,其成功发射意味着中国酝酿近20年的空间引力波探测计划方案距离实现迈出了重要一步。

“天琴一号”要做什么?

“天琴一号”由国家航天局为工程大总体管理单位,中山大学为用户单位,中国航天科技集团五院航天东方红卫星有限公司为卫星总体负责单位,试验载荷分别由中山大学、华中科技大学、航天五院等单位研制。

“天琴计划”是由中山大学校长、中国科学院院士罗俊于2014年提出、以中国为主导的国际空间引力波探测计划:2035年前后,在距离地球约10万公里的轨道上部署三颗卫星,构成边长约为17万公里的等边三角形编队,在太空中建成一个探测引力波的天文台。因为三颗卫星组成的编队在天空中形似竖琴,故名“天琴”。

据介绍,要实现引力波的探测,必须具备两大基础技术,即空间惯性基准技术和激光干涉测距技术;前者相当于找准基点,后者相当于一把尺子。

“天琴计划”将分三次总计发射六颗卫星上天,第一次发射一颗高精度空间惯性基准试验卫星,第二次发射两颗激光干涉测量技术试验卫星;第三次发射三颗天琴卫星,组成编队进行空间引力波探测。

罗俊说,此次发射的“天琴一号”,是“天琴计划”拟发射的第一颗试验卫星。“天琴一号”好比是引力波“探头”,它的核心技术就是空间惯性基准技术,这是空间引力波探测技术体系中的关键技术之一。

中山大学天琴中心副主任叶贤基教授说,“天琴一号”身负三大科学任务:一是对空间惯性传感器进行在轨验证,二是对微牛级可变推力的微推力器进行在轨验证,三是对无拖曳控制技术进行在轨验证。此外,“天琴一号”也将对高精度激光干涉测量技术、高精度质心控制技术、高稳定性温度控制技术等引力波空间探测共性关键技术开展在轨验证。

我们为什么要探测引力波?

在爱因斯坦广义相对论中,引力波是时空波动的具体表现。宇宙大爆炸、黑洞并和等天文事件会产生时空涟漪,这种波动会以光速传播。当波动抵达地球时,将“扭曲”地球的时空;这种扭曲极其微弱,普通的科学仪器无法测量。

“想象我们在一个房间内看到光在内部传播,那是一种电磁波。而如果房子本身形状发生了改变,则是引力波的作用。”罗俊说。

中国科学家正在进行的空间引力波探测的“天琴计划”,其原理是:由于引力波会造成时空的变化,导致空间中两点之间的距离发生改变。当引力波到达时,会造成一个方向压缩,另一个方向拉伸,这种变化是有规律的。通过精确测量引力波天文台三颗卫星组成的等边三角形之间距离的微小变化,可以测量引力波是否存在。

受访科学家表示,新的科学发现,会给人类社会带来难以预估的影响。引力波探测,将可能带动激光、材料、光学、工程、计算机等诸多学科前沿的发展;引力波探测的很多技术将对或者已经对半导体制造、能源、材料、大数据等实用领域产生深远影响。

中国科学院院士叶朝辉表示,“天琴一号”还将满足其他基础科学空间实验对航天技术的发展需求。

“‘天琴一号’还是国内首颗无拖曳控制技术试验卫星,无拖曳控制技术是最前沿的航天技术。”叶朝辉说,这将为开展下一代卫星重力测量、深空探测、基础科学实验等提供重要技术储备。

离引力波探测还有多远?

引力波的影响非常微弱,假设在太空中有一个半径10万公里的粒子圈,则引力波对粒子圈带来的形变也只有百分之一个原子的大小,这对测量精度提出了极高要求。

科学家表示,此次“天琴一号”成功发射,意味着空间引力波探测技术迈出了关键性的一大步;但这项工程巨大,技术前沿且复杂,是科学界的“无人之域”,国际竞争日渐白热化。

“天琴计划”首席科学家助理梅健伟教授介绍,“天琴计划”的卫星由于距离地球近,因此面临的来自地球和地月相对运动带来的探测干扰也会多一些,这就对“天琴计划”卫星的高精度惯性传感、微牛级微推进器、高精度无拖曳控制等技术提出了更高的挑战。

罗俊表示,“天琴一号”虽然意义重大,但并不代表我国空间引力波探测技术已经成熟。实际上我们距离实现空间引力波探测的最终目标还任重道远。