“天琴計劃”是以中國為主導(dǎo)的國際空間引力波探測計劃，“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星是空間引力波探測的探路者。
新京報快訊（記者 倪偉 通訊員 賀喜梅）12月20日，伴隨著長征四號乙運載火箭升空，我國“天琴”引力波探測計劃首顆技術(shù)試驗衛(wèi)星——“天琴一號”進入太空，開啟空間引力波探測技術(shù)探索計劃。
12月20日11時22分，太原衛(wèi)星發(fā)射中心，長征四號乙運載火箭成功發(fā)射天琴一號等九顆衛(wèi)星。攝影/賀萌
“天琴計劃”2014年由中山大學(xué)校長、中國科學(xué)院院士羅俊提出，以中國為主導(dǎo)的國際空間引力波探測計劃。“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星由航天科技集團五院航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總研制，是空間引力波探測的探路者。
根據(jù)規(guī)劃，“天琴計劃”將在地球軌道上部署3顆衛(wèi)星，組成臂長十幾萬公里的等邊三角形編隊，構(gòu)成空間引力波探測“天文臺”。獲取的觀測數(shù)據(jù)將用于開展引力波、宇宙學(xué)、天文學(xué)等方面的基礎(chǔ)科學(xué)研究。
在太空搭建引力波探測“天文臺”
1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預(yù)言了引力波的存在。通俗來講，因為質(zhì)量的存在，物體邊界處會發(fā)生時空彎曲，引力波就是時空彎曲中的漣漪，對于研究宇宙的起源、發(fā)展、演變意義重大。
2016年初，美國LIGO地面引力波探測裝置首次直接探測到了引力波，找到了驗證愛因斯坦廣義相對論的最后一塊拼圖，掀起引力波探測研究的熱潮。三名參與LIGO項目的科學(xué)家因為對引力波觀測的貢獻，獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎。
在地面裝置探測引力波的同時，天琴計劃將在太空中伸出觸角，探尋引力波的信號。
據(jù)“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星總設(shè)計師張立華介紹，地面由于激光干涉測量臂長的限制，只能探測到高頻引力波。要探測到更寬域的低頻引力波，只能上太空，形成長達數(shù)萬公里到數(shù)百萬公里的干涉臂長。
根據(jù)規(guī)劃，“天琴計劃”將在地球軌道上部署3顆衛(wèi)星，組成臂長十幾萬公里的等邊三角形編隊，構(gòu)成空間引力波探測“天文臺”。
這個“天文臺”將通過激光干涉測距系統(tǒng)，精確測量衛(wèi)星內(nèi)部檢驗質(zhì)量之間距離的微小變化，實現(xiàn)探測引力波的目的。獲取的觀測數(shù)據(jù)將用于開展引力波、宇宙學(xué)、天文學(xué)等方面的基礎(chǔ)科學(xué)研究。
天琴一號在廠房中。圖/航天科技集團五院
天琴計劃數(shù)據(jù)有望提供給全世界科學(xué)家
在“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星項目中，我國首次采用國家、地方、高校、企業(yè)共同聯(lián)合研發(fā)的模式。
國家航天局為工程大總體管理單位，中山大學(xué)為用戶單位，航天東方紅衛(wèi)星有限公司為衛(wèi)星總體負責(zé)單位，試驗載荷分別由中山大學(xué)、華中科技大學(xué)、五院等國內(nèi)有關(guān)單位研制。
張立華說，空間引力波探測是世界性的難題，對航天器性能提出了極高要求。高校提出科學(xué)目標(biāo)、任務(wù)需求，承擔(dān)部分科學(xué)載荷的研制，航天工業(yè)部門完成衛(wèi)星研制，兩者結(jié)合。
作為“天琴一號”用戶單位，中山大學(xué)還負責(zé)了科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)和運行，在航天東方紅衛(wèi)星有限公司和各承制單位的支持下，完成衛(wèi)星的在軌試驗任務(wù)協(xié)調(diào)與管控、數(shù)據(jù)接收、處理、存檔、分發(fā)和數(shù)據(jù)質(zhì)量評定。
據(jù)“天琴一號”技術(shù)試驗衛(wèi)星總體主任設(shè)計師黎明介紹，未來“天琴計劃”的數(shù)據(jù)，有望提供給全世界科學(xué)家共同研究。
“天琴一號”如何人工營造“純引力”環(huán)境？
空間引力波探測帶來了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，很多技術(shù)指標(biāo)高于現(xiàn)有水平數(shù)個量級。技術(shù)試驗衛(wèi)星將先行驗證相關(guān)技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)取得實質(zhì)性突破以后，再研制能探測到引力波的衛(wèi)星系統(tǒng)。
無拖曳控制，是“天琴一號”要重點攻克的難題。所謂無拖曳控制，就是依靠微推進系統(tǒng)在航天器上施加持續(xù)的推力，以此“抵消”航天器在軌道上受到的大氣、太陽光壓等力，從而為衛(wèi)星內(nèi)部“自由懸浮”的檢驗質(zhì)量，提供一個近乎“純引力”的飛行環(huán)境。
在此基礎(chǔ)上，一旦實現(xiàn)了通過激光干涉測距技術(shù)，精確檢測兩顆衛(wèi)星檢驗質(zhì)量之間微弱的距離變化，衛(wèi)星就具備探測到引力波的能力。
張立華解釋，如果沒有其他力的作用，兩個在“純引力”作用下的檢驗質(zhì)量之間距離是不變的。而在引力波的作用下，距離就會發(fā)生變化。但這是極其微小的變化，所以對探測精度要求非常高，激光干涉測距的精度要達到皮米級。這對航天器的很多性能都帶來了挑戰(zhàn)，例如極高的熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及星間指向的穩(wěn)定性等。
為實現(xiàn)無拖曳控制技術(shù)在軌驗證，“天琴一號”配置了高精度慣性傳感器，和微牛級連續(xù)可調(diào)的冷氣微推進系統(tǒng)，作為無拖曳控制系統(tǒng)的敏感器和執(zhí)行機構(gòu)。同時，通過高穩(wěn)定溫度控制、精準(zhǔn)的質(zhì)心控制，為無拖曳控制提供良好的環(huán)境保障。
