倾听宇宙的声音：空间引力波探测太极计划的新突破
下面的文章来自悦智网。 ，作者高瑞弘、王少鑫等
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引力波为探索和认识未知世界提供了新的重要途径和手段，空间引力波探测是世界各地竞争的科学前沿。作为太极计划的核心参与团队，中国科学院力学研究所开展了空间引力波探测所需的多项关键技术研究，突破了皮米激光干涉测量技术和高精度弱力测量技术，构建了纳弧激光捕捉瞄准一体化路面模拟系统，开发了国内首套光粘干涉仪样机，力争实现国际空间引力波探测的首次突破。
当我们仰望星空时，天空中的点点星光总是让人着迷；当我们看着远方的时候，生活从何而来的思绪往往会涌上心头。浩瀚的宇宙收集了世界的美丽，埋藏了无数的秘密。为了窥探其中的奥秘，人类从未停止过探索天空的步伐。人造卫星、射电望远镜、太空站和载人航天使我们一步步缩小与宇宙的距离。然而，其他检测手段无法观察的情况，如暗能量、暗物质、黑洞发源、早期宇宙变化等，一次又一次见证了我们的渺小。幸好，引力波为探索和认识未知世界提供了新的重要过程和手段。假设电磁波向我们展示了浩瀚的星空，那么引力波就会让我们听到宇宙的声音。
引力波是爱因斯坦广义相对论中最重要的猜测之一。它是由物质和能量的剧烈运动和变化引起的。它在行驶过程中挤压或延伸时间和空间，类似于水面上的波浪，以光速传播。引力波为观测宇宙提供了一个全新的窗口，不同于电磁波。通过引力波探测，可能会揭开暗能量和暗物质的神秘面纱，为我们呈现更完整的宇宙场景，为揭示引力本质、发现引力子和探索统一理论提供了不可替代的途径。与电磁波相比，引力波与物质之间的作用非常微弱，任何物质都可以通过，没有能量损耗。对于大质量黑洞合并、超新星引力坍缩、致密双星系统、大爆炸留下的背景辐射等深空和极端条件检测，引力波将成为一种强大的检测方法。所以，引力波被称为物理皇冠上的明珠，是科技大国竞争的科学前沿。
然而，由于重力波信号非常微弱，检测非常困难，从爱因斯坦的猜测开始，来自世界各地的科学家们经历了无数次的尝试。最后，2016年，人类历史上第一次重力波信号检测通过美国地面重力波探测天线LIGO成功实现。由于路面噪声和地面试验规模的限制，LIGO只能测量10HZ以上高频的引力波信号，而0.1毫米HZ ～中低频段1HZ波源极为丰富，具有更深层次的宇宙学和天文学意义，对应更重要的科学价值和应用价值。空间引力波探测可以摆脱路面试验的限制，在太空测量数百万公里的精密激光干涉，实现中低频引力波信号的检测，是世界各地竞争的下一个技术制高点，但也将面临比路面检测更多的技术挑战。
太极计划是由中国科学院发起的空间引力波探测计划。计划发射三颗卫星，在太空中构建300万公里臂长等边三角形编队，两组卫星通过激光连接。当引力波信号通过时，会引起时空的弯曲，从而改变两个测点之间光束传输的距离。通过使用高精度激光干涉仪读取这一距离变化，可以反映引力波信号，有望实现世界上第一次中低频引力波信号检测。但测量原理看似简单，实现起来却举步维艰，测量技术的发展将起到决定性的作用。在国家重点R&D计划的长期支持下，中国科学院力学研究所作为太极计划的核心参与单位，致力于推动中国空间引力波探测事业的发展，与中国科学院大学、中国科学技术大学杭州高等院校、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院上海科技物理研究所、中国科学院微小卫星创新研究所等单位组成研究团队。深入开展空间引力波探测科学负载研究，突破了皮米级位移测量、纳弧度级角度测量、高精度惯性标准建设等技术难题。参与开发的“太极一号”试验卫星迈出了探测中国空间引力波的第一步。
精确度一点也不差：激光干涉仪
为了检测空间中微弱的引力波信号，需要在数百万公里的距离上识别出皮米级的位移变化，相当于在10倍地月距离的尺度下识别出一个原子尺寸的百分之一。毫不夸张地说，它是一个海底捞针。常规的测试方法显然很难达到如此高的测量精度，所以我们考虑选择一个特殊的尺子-激光。一般情况下，激光波长为100纳米μM量级，构建激光外差干涉仪提取干预信号的相位，可以进一步细分波长，是目前实现皮米级位移识别的有效手段。所以，激光外差干预是空间引力波探测的核心测量方法，激光干涉仪是实现检测的主要设备。
激光干涉仪主要由三部分组成:激光、光学平台和相位计。激光通过激光发出后不同功能的光学镜片引导，在光学平台上形成不同功能的干涉仪。其中，通过望眼镜一路发射，传播300万公里的距离，到达远端卫星，干预远端卫星配备的干涉仪的当地光束，然后通过相位计测量拍摄频率信号的相位来反映光程的变化。干涉测量系统中的任何细微干扰都可能像扇动翅膀的蝴蝶一样对测量精度产生严重影响，以实现皮米级位移识别。因此，皮米级激光干涉仪的核心问题在于追溯噪声，了解噪声，抑制噪声。
在激光干涉仪的研究方面，海外起步较早。经过20多年的技术积累，目前对空间引力波探测激光干涉仪系统的认识已经相对清晰。对限制干涉仪测量精度的各种噪声进行了详细的建模和验证，并进行了严格的实验验证，全面分析了各种噪声的基本性质，开发了多种不同功能的激光干涉仪。国内起步较晚，在国外核心设备和技术封锁的背景下，太极团队独立进行研究，目前已取得重大进展。
在激光干涉仪系统噪声分析方面，研究团队逐步分析了单机负载的构成部分，建立了太极计划干涉仪系统的噪声指标体系，以皮米级激光测距指标为顶层指标。研究发现，看似微小的干扰，如激光器的频率抖动、卫星平台的振动、光学平台的热胀冷缩、干涉器的应力变化、探测器的背景噪声、光学系统的杂散光等，都会对皮米级的测量精度产生不可忽视的影响。在上述研究的基础上，团队进一步分析了噪声影响机制，对主要噪声进行了建模和验证，从主动抑制、共模噪声降低和数据后处理三个方面对噪声抑制方案进行了研究，并提出了激光干涉测量系统的建设方案。
但是在激光干涉仪的研制方面，研究小组已经完成了国内首套光粘干涉仪样机的研制。所谓光粘接，就是通过构建不同材料之间的共价键来实现玻璃基板与光学镜片之间的无应力粘接的技术。利用光粘接技术，玻璃镜片就像是从基板上“生长”出来的，两者成为一个整体。选择这种技术的根本原因是可以大大提高系统的结构和热稳定性，同时保证足够的结构强度和可靠性，防止材料热涨冷缩产生的光程噪声对皮米测量精度的影响。除了选择光粘结技术外，开发的激光干涉仪还采用了一体化设计，充分考虑了多功能再利用，不仅具有三种干涉测量，还具有激光通信、对钟、超前指向、Backlink等功能。现已完成毫HZ频段皮米甚至优于皮米量级的地面测试精度，采用光粘干涉仪样机和自主研发16通道相位计。
百步穿杨精确：激光捕捉瞄准系统
基于三颗卫星之间的激光束对准，激光干涉仪的进入工作方式都是如此。由于导航定位精度的限制，三颗卫星进入预定轨道后，各自的激光干涉仪无法直接“看到”对方；不仅如此，激光干涉仪还不满足于“看到”对方，他们只需要对方的眼睛。干涉仪平台间光束的指向抖动需要控制在纳弧度水平，以保证皮米级干预测量的准确性，相当于从地球上投球到月球上一个篮筐的一个小角度。所以，为了达到百步穿杨般的精确度，太极计划卫星配备了专门的激光捕捉和瞄准系统。但是，太极计划对激光捕捉和瞄准系统的需求远远超过了高精度。由于光束在自由空间中传递了300万公里的距离，光束在接收卫星的地方会因为扩散而变得非常大。进入接收卫星的光线只占整个光束的一小部分。据估计，光功率只有100瓦的数量级，因此捕捉瞄准系统必须在“黑暗”条件下工作。
目前太极计划采用三级捕捉检测方案，以完成如此艰巨的任务。一级选择星敏感器来确定卫星姿势，实现光束的初始指向。虽然星敏感器的精度远远达不到纳弧度级的视角分辨率，但是由于其视场大，可以进行大规模的检测，非常适合初始指向阶段。二级选择电荷耦合器件（CCD）或者补充金属氧化物半导体（CMOS）捕捉相机进行扫描检测，最初指向后两颗卫星的方向被限制在较小的范围内，我们称之为不确定区域。调整卫星姿势可以使光束完全扫描不确定区域。在某个时刻，光束将进入接收卫星，并在相机上显示光点。我们计算光点中心的位置，并将其与路面标定的相机参考位置进行比较，从而计算出光束的方向误差，从而调整卫星姿势，完成光束捕捉过程。与星敏感器相比，捕捉相机的视场虽然较小，但其探测灵敏度较高，可以进一步将不确定区域缩小到第三级探测仪视场内。但是，到目前为止，纳弧度级的测角要求还没有得到满足，第三级探测器也就是四象限探测器的肩膀上落下了重任。一般来说，四象限探测器利用每个象限之间的光强差来计算角度误差，但由于暗电流噪声的影响，这种强度敏感方案很难满足要求。太极计划考虑采用一种叫做差分波前传感的技术，利用象限检测的干涉信号，通过识别波前误差来实现纳弧度级的测量分辨率，从而调整卫星姿势来完成光束的高精度和瞄准。
可以看出，纳弧度激光捕捉和瞄准不仅取决于高精度的角度测量技术，还取决于每个测试阶段之间的配合。研究小组对以上两个方面进行了研究。在测量技术方面，分析了捕捉相机背景噪声对光点中心定位精度的影响，制定了适合暗光检测的高精度质心算法；分析了瞄准阶段使用的差分波前传感技术的非线性特性和零偏差特性对链接建立过程的影响，提出了捕捉瞄准光学系统的设计方案；在整体方案验证方面，建立了国际首个空间引力波探测激光捕捉瞄准一体化路面试验系统。在全面模拟轨道运行状态的情况下，试验系统可以实现激光捕捉和瞄准全过程的自动模拟。激光捕捉精度优于1。 在毫HZ频段达到纳弧度水平的微弧度和瞄准精度，可以满足太极计划的要求，充分验证了捕捉瞄准测量方案和技术的可行性。
稳定不动如山：惯性传感器
如上所述，空间引力波探测是根据空间中两个测点之间光束传递的距离变化，对引力波信号进行反演。激光器提供了位移测量方法，激光捕捉和瞄准系统保证了干涉器的正常工作。现在我们需要考虑哪里可以找到测量点？为了测量微弱的引力波信号，测量点需要尽可能避免引入其他物理藕合因素的相对位移变化，然后处于极其稳定的自由漂浮状态。实际上，我们应该测点。 在一个氢原子半径的百分之一水平上，5分钟(一个特征周期)的质心平均位置漂移。然而，即使在非常稳定(甚至零扰动)的空间环境中，太阳光压、宇宙射线、电磁环境等干扰源仍然广泛存在，这些影响足以吞没引力波信号。因此，我们需要研究一个系统来隔离这些噪音，这个系统就是惯性传感器。惯性传感器的主要任务是保持其内部检测质量块在空间内实现高性能的自由漂浮，使其成为我们需要的稳定测点。
惯性传感器是最基本的弹簧振子系统，由检测质量、弹簧和阻尼器组成。当外力作用于检测质量时，检测质量的运动状态会发生变化，外力的大小和目标可以通过测量弹簧的变形或阻尼器的阻尼力来推导。通过惯性原理，可以测量加速度、速度、位置等信息。检测质量，并将信息传递给无拖动控制系统。无拖动控制系统可以通过卫星微助推器的反向补偿来实现卫星跟随检测质量的目的，从而进一步减少外界噪声的影响。对于空间引力波探测来说，外界噪声极其微弱，因此多采用以电容传感和静电驱动为核心的测量和控制措施，可以大大提高系统的测量精度。该技术已广泛应用于地球重力场测量等领域。
惯性传感器的基本原理看似简单，但在实际研究中，应考虑各方面的设计约束。比如为了克服发射阶段环境振动条件对检测质量的破坏性影响，一般系统会设计一套路面锁紧装置进行锁定，然后在进入轨道后以极低的初速释放出来，方便静电捕捉；为了减少通过飞船到达检测质量的高能颗粒，将设置一套电荷管理系统，通过光电效应中和电荷累计影响；为了准确获得检测质量周围的电磁热环境水平，测试质量周围还设置了多种相应的传感器。此外，惯性传感器的开发还需要深入探讨一系列问题，如材料残留磁性、系统自引力补偿、热传导等。同时，惯性传感器需要在温度较强的环境中工作，并配备复杂的温控系统。此外，惯性传感器的开发还需要深入讨论一系列问题，如材料残留磁性、系统自引力补偿、热传导等。同时，惯性传感器需要在温度较强的环境中工作，并配备复杂的温度控制系统。因此，为了实现对空间引力波的高灵敏度检测，惯性传感器通过多功能系统配置和复杂的系统设计，确保在轨道上检测质量，实现近乎完美的自由漂浮。
研究小组开展了一系列关于惯性传感器核心技术的研究工作。其中，高精度电容传感和静电控制技术部分完成了毫HZ频段静电驱动控制稳定性优于百万分之一的超高精度水平，首次提出并构建了全自由度电容传感校准系统；检测质量和电极笼样机的开发已经完成，集成后轮之间的串扰藕合优于万分之一；同时，建立了高精度扭秤弱力测量路面验证系统。这一成果为实现空间引力波探测极高精度惯性传感器的顺利开发奠定了坚实的基础。
未来，项目团队将继续开发激光干预测量、激光捕捉瞄准和惯性传感等关键技术，攻击皮米级星间干预测距、高精度暗光锁相、高精度电容传感和静电伺服控制等技术问题，帮助“太极二号”三星系统开发，推动系统从方案开发阶段转向项目实施阶段。力争在国际上实现第一次百万公里距离星间激光干预测距试验和国际空间引力波探测的突破。
感谢：感谢国家重点研发计划“引力波探测”重点“星间激光干涉测量系统分析与设计”(项目编号：2020YFC2200100)、“时钟频率噪声消除技术研究”(项目编号：2023YFC2206200)、“星间激光干涉及平台藕合机理半物理仿真技术”(题目编号：2021YFC2202902)、“建立光链接系统模型和藕合噪声分析”(主题编号：2022YFC2203702)、支持“惯性传感器路面综合评价方法”(题目编号：2020YFC2200601)。
这篇文章发表在IEEE上 2024年2月，Spectrum中文版《科技纵览》。
专家简介
中国科学院力学研究所助理研究员高瑞弘。
中国科学院力学研究所特别研究助理王少鑫。
刘河山：中国科学院力学研究所特聘骨干研究员，重点研发青年项目经理。
齐克奇：中国科学院力学研究所副研究员。
李 磐：中国科学院力学研究所副研究员，重点研发计划课题负责人。
徐 鹏：中国科学院力学研究所研究员，重点研发项目负责人。
罗子人:中国科学院力学研究所特聘核心研究员，中国科学院微重力重点实验室副主任，中国科学技术大学杭州高等研究院引力波宇宙太极实验室副主任，空间引力波探测太极计划首席科学家助理，国家重点研发计划首席。
END
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