空間太極計畫

空間“太極計畫”作為中國空間引力波探測計畫，規劃在2033年前後將發射由位於等邊三角形頂端三顆衛星組成的引力波探測星組，用雷射干涉方法進行中低頻波段(0.1mHz-1.0Hz)引力波的直接探測。

基本介紹

• 中文名：空間太極計畫
• 外文名：Taiji Program in Space
• 提出者：中國科學院
• 提出時間：2012年

發起

2016年2月16日，中國科學院舉行“空間引力波探測與研究”媒體見面會，記者從會上獲悉，中國科學院發起的“空間太極計畫”可追溯到2008年。

引力波

隨著美國地面雷射干涉引力波天文台（LIGO）於2016年首次公布直接探測到引力波的存在，中國的空間引力波探測計畫——太極計畫也得到了廣泛的關注。空間太極計畫（Taiji Program in Space）是由中國科學院提出和支持，院內外十多個科研院所共同參與的空間引力波探測計畫。

空間太極計畫可追溯到2008年，由中科院發起，院內外多家單位參與，以胡文瑞院士為召集人成立空間引力波探測論證組，開始規劃我國空間引力波探測在未來數十年內的發展路線圖。2009年，空間引力波探測計畫被列入中國科學院2050發展規劃。2010年在中國科學院戰略先導以及中國科學院裝備研製項目的支持下，空間引力波論證組開始啟動可行性方案研究以及相關的關鍵技術研製。結合空間引力波探測論證組的多次討論和論證，2010年由胡文瑞院士作為聯繫人經中國科學院提交了國家重大科技基礎設施中長期重點建設項目的建議“空間引力波觀測”，提出了空間引力波探測的一個初步方案。該方案提出採用類似於LISA計畫的三顆衛星編隊，跟隨地球繞太陽運行的軌道，但其星間距初步設計為50萬公里。

該方案確定的雷射測距精度為，加速度噪聲水平為

公式

此方案的測量敏感頻段為0.01Hz至10Hz，主要科學目標為中等質量黑洞併合以及中等質量比黑洞雙星繞轉。

2011年，LISA研究組因NASA的退出，邀請中國加入其改進後的eLISA計畫的合作。按照參與eLISA計畫合作需貢獻百分之二十的約定，eLISA研究組希望中國以承擔研製eLISA計畫相關載荷任務的合作模式貢獻其百分之二十。為推進中國空間引力波探測項目，加強與eLISA的國際交流合作，有效地組織整個任務的順利實施，中國科學院於2012年成立了中國科學院空間引力波探測太極計畫工作組，由胡文瑞院士和吳岳良院士擔任首席科學家。空間太極計畫工作組初步制定了“兩步走”的中國空間引力波探測計畫路線圖：一方面，積極參與ESA的eLISA計畫國際合作，突破空間雷射干涉引力波探測相關的關鍵技術；另一方面，加快推進我國獨立研製的空間引力波探測太極計畫。空間太極計畫工作組每年組織其成員參加eLISA工作組召開的年會，進行深入交流探討。同時，空間太極計畫工作組與eLISA 項目的主要牽頭單位德國馬普學會引力物理研究所和愛因斯坦研究所在2013年和2015年分別在中國和德國組織召開了兩次雙邊會議，並形成了雙方合作的備忘錄。在中徳科學中心的支持下，2015年在德國愛因斯坦研究所召開了空間引力物理研討會，50多位專家學者參加了會議，包括德國和歐洲幾乎所有相關領域的主要負責人以及美國相關研究機構和NASA 的多位代表，一些工業界的代表也參加了此次會議。會議深入探討了eLISA計畫、LISA探路者、空間太極計畫和下一代時變地球重力衛星（GRACE Follow-On）等進展以及中國和歐洲的現有技術水平和發展現狀。

方案

考慮到技術實現的難度以及目標波源的特性，空間太極計畫工作組經多次討論和論證，選擇更具挑戰性的技術指標及任務設計，並對外公布了空間太極計畫的新方案[5]，此方案中衛星間臂長由原計畫的50萬公里改為300萬公里，測距精度要求降低為

公式

，加速度噪聲水平修改為

公式

。空間太極計畫主要採用空間雷射干涉法測量中低頻段引力波（0.1mHz-1.0Hz），此頻段除了覆蓋歐空局的LISA/eLISA項目探測頻段，其波源包括超大質量和中等質量黑洞的併合、極大質量比繞轉系統、河內白矮星繞轉、以及其它的宇宙引力波輻射過程。太極計畫方案側重於在0.01-1.0Hz頻段具有比LISA/eLISA更高的探測靈敏度，有別於LISA/eLISA的科學目標，可將重點瞄準總質量在幾百至十萬太陽質量範圍內的中等質量雙黑洞繞轉併合系統，使得太極計畫具有明顯優越的探測能力。

空間太極計畫方案規劃在2033年左右發射三顆衛星組成的等邊三角形引力波探測星組。在地球繞日軌道發射入軌後位於偏離地球太陽方向約18～20度的位置進行繞日運行（離地球距離約5000萬公里），以便避開地球重力梯度噪聲的影響。三顆衛星組的質心位於地球繞日軌道所構成的平面與黃道面之間約成60度夾角，使得衛星始終面對太陽保持熱輻射的穩定性，有利於滿足探測器溫度變化控制在百萬分之一的要求。

　　

科學目標

空間太極計畫的主要科學目標是通過引力波的精確測量，測定黑洞的質量、自旋以及分布，探索中等質量種子黑洞是如何形成的，暗物質能否形成種子黑洞，種子黑洞是如何成長為大質量黑洞和超大質量黑洞，尋找第一代恆星形成、演化、死亡的遺蹟，對原初引力波強度給出直接限制，並探測引力波極化，為揭示引力本質提供直接的觀測數據。

展開引力波精確測量將為我國引力波天文學、引力波物理和量子宇宙物理研究提供一個廣闊的發展前景，對認識宇宙起源和時空結構具有革命性的意義。通過引力波精確測量可開展對宇宙大尺度結構、星系形成和演化過程進行深入仔細的研究。在對愛因斯坦廣義相對論給出更精確檢驗的同時，可更好地研究強引力場的高度非線性行為。同時，為尋找超出愛因斯坦廣義相對論的引力理論提供更直接和有效的實驗數據，檢驗相關的量子引力理論，更好地發展和建立超越愛因斯坦廣義相對論的量子引力理論，揭示引力本質，幫助理解暗物質和暗能量的性質、黑洞的形成和宇宙暴脹的產生。同時，由此發展的前瞻技術對於提升我國空間科學和深空探測的技術水平具有重要意義，對慣性導航、地球科學、全球環境變化、高精度衛星平台建設等套用領域也將發揮積極的作用。

關鍵技術

空間引力波探測涉及學科領域和前端技術廣泛，包括物理學、天文學、宇宙學、天體物理、空間科學、光學，以及精密測量、航天技術、導航與制導、飛行器與軌道設計等，需要發展空間的超遠距離超高精度雷射測量、超高靈敏度慣性感測器，以及超高精度衛星無拖曳控制等下一代高端空間技術。

無論是LISA/eLISA計畫還是空間太極計畫，均需在百萬公里距離上實現 / 的相對測量精度。為此，必須發展一系列關鍵空間技術， 包括：（i）深空精確定軌和入軌。引力波衛星編隊處於地球的前端或尾隨軌道，偏離地球二十度左右。為使得在任務期間有良好的軌道穩定性，需發展和利用VLBI及深空GPS系統，使定軌和入軌精度優於公里級；（ii）超遠距雷射捕獲、跟蹤和瞄準系統。需發展對百萬公里距離目標的雷射捕獲、跟蹤和瞄準系統。

其中捕獲精度達到1urad的光電探測系統對接收雷射進行探測，並對其相位進行讀出，且讀出精度需達到量級。跟蹤和瞄準精度達到10nard量級，瞄準穩定性達到1nrad/ 量級；（iii）皮瓦級弱光探測及相位讀出。衛星間距數百萬公里，接收的雷射功率及其微弱，約100pW量級。

需研製暗電流在PA/ 的光電探測系統對接收雷射進行探測，並對其相位進行讀出，且讀出/精度需達到的水平；（iv）皮瓦級雷射測距、對鐘和通訊系統。為使空間干涉儀有效工作，衛星跟衛星間需要實時測距、對鐘以及數據傳輸。由於主要載波用於干涉測量，接收功率約為100pW；用於測距、對鐘及通訊的接收功率僅為1pW量級。其中測距精度在五百萬公里上要求達到30厘米，對鐘精度需達到1ns量級，數據傳輸需達到20kb/s；（v）超穩空間光頻和時頻系統。

要實現 / 相對測量精度，星載雷射器頻率穩定性需達到 / 的要求，星載超穩時鐘的相對穩定性需達到 /的干涉測量精度；（vii）無拖曳航天系統（或稱為擾動消減系統）。充當引力波感測器的測試質量（test mass）需在太空飛行器的保護下保持自由落體運動狀態。對此運動狀態的偏移加速度不能超過空間雷射干涉引力波天線一旦成功發射，這將成為穩定性最高的空間光頻和時頻系統；（vi）超高精度超遠距空間雷射干涉儀。空間雷射干涉儀的目標測量精度需在五百萬公里距離上，實現10pm/。

（vii）無拖曳航天系統（或稱為擾動消減系統）。充當引力波感測器的測試質量（test mass）需在太空飛行器的保護下保持自由落體運動狀態。對此運動狀態的偏移加速度不能超過m/。LISA 探路者的測試結果已經十分接近這個需求；(viii)超高精度太空飛行器溫度控制。要達到干涉儀測量精度及測試質量的無拖曳需求，太空飛行器核心部分（干涉儀及慣性感測器）周圍的溫度漲落需控制在/；(ix)超高解析度微牛推進器。要實現滿足空間引力波測量要求的無拖曳航天技術，推進器的推力解析度需達到的0.1/水平，推力範圍約為500微牛。