《力学园地》编辑部： 

　　最近在你们的园地上，读到了关于在空间探测引力波的介绍，很有意思。还能再告诉我们，仰望星空时还能看到什么？或者，再说说你们力学所在空间引力波探测方面所做的工作。谢谢你们能满足一个天文爱好者的心愿。 

　　一名高中学生 

　　                                                      2021.10.5 

当你仰望星空

赵亚，刘河山

　　当你仰望星空，会想到什么？奔月的嫦娥，璀璨的北斗，如画的星河，还是那半明的暗云。 

　　首先给大家展示一张很著名的照片图1，它的名字叫做“暗淡蓝点”，由探测器“旅行者一号”在1990年2月14日拍摄的。这是已完成任务的“旅行者一号”在航行到距离地球64亿公里的地方，在即将离开太阳系之际，最后一次把摄像头调转回头拍下的照片。著名的天文学家、科普作家卡尔·萨根为此曾写过这么一段话：我们成功地（从外太空）拍到这张照片，细心再看，你会看见一个毫不出奇的小点。再看看那个光点，它就在这里。那是我们的家园，我们的一切。你所爱的每一个人，你认识的每一个人，你听说过的每一个人，曾经有过的每一个人，都在它上面度过他们的一生。我们的欢乐与痛苦聚集在一起，数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说，所有的猎人与强盗、英雄与懦夫、文明的缔造者与毁灭者、国王与农夫、年轻的情侣、母亲与父亲、满怀希望的孩子、发明家和探险家、德高望重的教师、腐败的政客、超级明星、最高领袖、人类历史上的每一个圣人与罪犯，都住在这里——一粒悬浮在阳光中的微尘。 

图1 “旅行者一号”拍摄的地球（图片来源于网络） 

　　相比于浩瀚的宇宙，地球确实只是一粒微尘。而居住在这粒微尘的人类却经常感慨世界这么大，好难遇到一个对的人！然而在宇宙中，却存在着这么一种天体，它们是要在整个宇宙尺度上去寻找自己的另一半。它的名字叫做黑洞（图2），它密度极大，魅力惊人，连光都抵抗不了它的吸引。 

图2 黑洞模拟图片（图片来源于网络） 

　　优秀的人都是孤独的，同理可证：优秀的天体也是孤独的。黑洞所到之处，无数天体主动投怀送抱，它内心却毫无波澜。虽然很难有其他类型的天体能泛起黑洞心里的涟漪，但其实黑洞远没有人类那么复杂。60亿个人有60亿种性格，连性别人类都能给自己分成56种。当然，这只是美国“脸书”提出的有别于传统“生理性别”的所谓“社会性别”。然而无论什么样的黑洞，其最终性质仅由三个物理量（质量、角动量、电荷）唯一确定。换句话说，当黑洞形成之后，只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量，其他一切信息（“毛发”）都丧失了，这就是著名的“黑洞无毛定理”。所以两个黑洞一旦相遇，只需要0.01秒钟就可以确定对方是不是自己想要的那个黑洞，也就是那个三个守恒量和自己相适的黑洞（具体的物理解析分析相当繁复，这里便不给出细节了）。一旦确定，它们便会互相跳起土耳其旋转舞以表达爱意（图3），最终热烈地拥抱在一起。 

图3 黑洞绕转并合模拟图片（图片来源于网络） 

　　对于黑洞的寻爱之旅来说，寻找的过程是苦涩的，而在一起的那一刻却是无比甜蜜的。甜蜜的事情与他人分享后才会更甜蜜。黑洞们自然也懂得这个道理。然而它们也认为只有具有一定智慧的生命体才有资格知道他们相爱的消息，所以它们选择以引力波的方式来告诉宇宙中所有的星球——“我们相爱了！”。 

　　黑洞是时空的产物，因此引力波的本质就是时空曲率的波动，或者可以称之为时空的“涟漪”。图4表示的是引力波经过的时候时空所发生扭曲的形态。从图中我们会发现：引力波会把时空在一个方向上拉伸，而相应地在垂直的方向上把时空压缩。所以如果我们搭建一个如图5所示的迈克尔逊干涉仪，那么引力波就会引起两个垂直干涉臂的光程差发生变化，通过测量这个变化我们就可以观测到引力波。2015年9月，位于美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）便是利用这个原理首次探测到了引力波，探测到了两个黑洞相爱的消息，从此人类的天文学开启了“引力波时代”。 

图4 引力波引起的时空扭曲（图片来源于网络） 

图5 迈克尔逊干涉仪探测引力波原理图（图片来源于网络） 

　　然而相对于人类的野心，地球总是显得有点小，而且环境还显得有点吵。前面我们提到的LIGO就建立在地面上，它的干涉臂只能修建为4公里长，它同时还会受到地表振动等的影响，这样地面引力波探测的频段只能是高频波段。为了覆盖天体事件所产生的引力波中低频段，于是人类便把目光投向了天然的实验室——浩瀚的太空，准备在空间建设百万公里量级的长基线激光干涉引力波探测系统。我国的“太极计划”便由此孕育而生，并确定了“单星、双星、三星”“三步走”的发展战略和路线图。“太极计划”的探测星组示意图如图6所示。 

图6“太极计划”探测星组示意图 

　　在“太极计划”中，探测星组将由位于等边三角形顶端三颗卫星、四大系统组成（干涉测距系统、惯性传感器、无拖曳航天控制系统、超净超稳卫星平台）。每个卫星搭载两套干涉设备与另外两个卫星通过激光链路相互连接，最终组成三个干涉臂长为300万公里的迈克尔逊干涉仪。而干涉仪的测量精度要达到多少呢？1个皮米（pm），相当于一个原子尺寸的百分之一。所以，可想而知，这将对整个探测装置的测量精度提出多么严苛的要求。图7所示为整个引力波干涉测量系统的示意图。 

图7“太极计划”星间光学链路示意图 

　　空间引力波干涉测量系统的基本原理是：利用测试质量（图中的两个橙色正方体）的间距作为测量基准，将引力波信号转化为测试质量间距变化的信号，利用高精度的激光干涉仪对这个距离变化进行读出。因此高精度的空间激光干涉测距系统是获取引力波信号的直接手段。干涉系统包含激光干涉平台、相位计、激光器、望远镜等，其系统复杂度将大大超出目前人类发射的任何卫星载荷。力学所引力波实验中心精密测量团队直面挑战，自2008年开始攻坚激光干涉载荷，走在科学和技术的前沿。 

图8 力学所引力波实验中心精密测量团队 

　　在2019年的8月底，中国科学院在酒泉卫星发射中心成功发射了“太极一号”实验卫星。作为“太极计划”的第一步，“太极一号”初步验证了所涉及的四大核心技术（包括激光干涉仪、惯性传感器、无拖曳控制技术、超稳超静卫星平台等）。在2020年的9月20日，“太极一号” 顺利完成第一阶段在轨测试任务（相关结果发表于Commun Phys 4, 34 (2021)，IJMPA 36, 11n12(2021)）。测试结果表明，激光干涉仪位移测量精度达到百皮米量级（约为一个原子直径），引力参考传感器测量精度达到地球重力加速度的百亿分之一量级，微推进器推力分辨率达到亚微牛量级。“太极一号”实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量，成功进行了我国首次在轨无拖曳控制技术试验，并在国际上首次实现了微牛级射频离子和双模霍尔电推进技术的在轨验证。这是“太极计划”的一小步，也是我国空间引力波探测的一大步。 

　　很多年以后（很可能是2033年），当你仰望星空时，“太极计划”星组正在离我们5000万公里的深空聆听来自宇宙深处的声音。人类是渺小的，渺小的我们努力的探寻人类所处的这片星河，还原这个宇宙应该有的样子。