下面的文章來自悅智網。 ，作者高瑞弘、王少鑫等

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引力波為探索和認識未知世界提供了新的重要途徑和手段，空間引力波探測是世界各地競爭的科學前沿。作為太極計劃的核心參與團隊，中國科學院力學研究所開展了空間引力波探測所需的多項關鍵技術研究，突破了皮米激光干涉測量技術和高精度弱力測量技術，構建了納弧激光捕捉瞄準一體化路面模擬系統(tǒng)，開發(fā)了國內首套光粘干涉儀樣機，力爭實現(xiàn)國際空間引力波探測的首次突破。

當我們仰望星空時，天空中的點點星光總是讓人著迷；當我們看著遠方的時候，生活從何而來的思緒往往會涌上心頭。浩瀚的宇宙收集了世界的美麗，埋藏了無數(shù)的秘密。為了窺探其中的奧秘，人類從未停止過探索天空的步伐。人造衛(wèi)星、射電望遠鏡、太空站和載人航天使我們一步步縮小與宇宙的距離。然而，其他檢測手段無法觀察的情況，如暗能量、暗物質、黑洞發(fā)源、早期宇宙變化等，一次又一次見證了我們的渺小。幸好，引力波為探索和認識未知世界提供了新的重要過程和手段。假設電磁波向我們展示了浩瀚的星空，那么引力波就會讓我們聽到宇宙的聲音。

引力波是愛因斯坦廣義相對論中最重要的猜測之一。它是由物質和能量的劇烈運動和變化引起的。它在行駛過程中擠壓或延伸時間和空間，類似于水面上的波浪，以光速傳播。引力波為觀測宇宙提供了一個全新的窗口，不同于電磁波。通過引力波探測，可能會揭開暗能量和暗物質的神秘面紗，為我們呈現(xiàn)更完整的宇宙場景，為揭示引力本質、發(fā)現(xiàn)引力子和探索統(tǒng)一理論提供了不可替代的途徑。與電磁波相比，引力波與物質之間的作用非常微弱，任何物質都可以通過，沒有能量損耗。對于大質量黑洞合并、超新星引力坍縮、致密雙星系統(tǒng)、大爆炸留下的背景輻射等深空和極端條件檢測，引力波將成為一種強大的檢測方法。所以，引力波被稱為物理皇冠上的明珠，是科技大國競爭的科學前沿。

然而，由于重力波信號非常微弱，檢測非常困難，從愛因斯坦的猜測開始，來自世界各地的科學家們經歷了無數(shù)次的嘗試。最后，2016年，人類歷史上第一次重力波信號檢測通過美國地面重力波探測天線LIGO成功實現(xiàn)。由于路面噪聲和地面試驗規(guī)模的限制，LIGO只能測量10HZ以上高頻的引力波信號，而0.1毫米HZ ～中低頻段1HZ波源極為豐富，具有更深層次的宇宙學和天文學意義，對應更重要的科學價值和應用價值?？臻g引力波探測可以擺脫路面試驗的限制，在太空測量數(shù)百萬公里的精密激光干涉，實現(xiàn)中低頻引力波信號的檢測，是世界各地競爭的下一個技術制高點，但也將面臨比路面檢測更多的技術挑戰(zhàn)。

太極計劃是由中國科學院發(fā)起的空間引力波探測計劃。計劃發(fā)射三顆衛(wèi)星，在太空中構建300萬公里臂長等邊三角形編隊，兩組衛(wèi)星通過激光連接。當引力波信號通過時，會引起時空的彎曲，從而改變兩個測點之間光束傳輸?shù)木嚯x。通過使用高精度激光干涉儀讀取這一距離變化，可以反映引力波信號，有望實現(xiàn)世界上第一次中低頻引力波信號檢測。但測量原理看似簡單，實現(xiàn)起來卻舉步維艱，測量技術的發(fā)展將起到決定性的作用。在國家重點R&D計劃的長期支持下，中國科學院力學研究所作為太極計劃的核心參與單位，致力于推動中國空間引力波探測事業(yè)的發(fā)展，與中國科學院大學、中國科學技術大學杭州高等院校、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、中國科學院上?？萍嘉锢硌芯克?、中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究所等單位組成研究團隊。深入開展空間引力波探測科學負載研究，突破了皮米級位移測量、納弧度級角度測量、高精度慣性標準建設等技術難題。參與開發(fā)的“太極一號”試驗衛(wèi)星邁出了探測中國空間引力波的第一步。

精確度一點也不差：激光干涉儀

為了檢測空間中微弱的引力波信號，需要在數(shù)百萬公里的距離上識別出皮米級的位移變化，相當于在10倍地月距離的尺度下識別出一個原子尺寸的百分之一。毫不夸張地說，它是一個海底撈針。常規(guī)的測試方法顯然很難達到如此高的測量精度，所以我們考慮選擇一個特殊的尺子-激光。一般情況下，激光波長為100納米μM量級，構建激光外差干涉儀提取干預信號的相位，可以進一步細分波長，是目前實現(xiàn)皮米級位移識別的有效手段。所以，激光外差干預是空間引力波探測的核心測量方法，激光干涉儀是實現(xiàn)檢測的主要設備。

激光干涉儀主要由三部分組成:激光、光學平臺和相位計。激光通過激光發(fā)出后不同功能的光學鏡片引導，在光學平臺上形成不同功能的干涉儀。其中，通過望眼鏡一路發(fā)射，傳播300萬公里的距離，到達遠端衛(wèi)星，干預遠端衛(wèi)星配備的干涉儀的當?shù)毓馐缓笸ㄟ^相位計測量拍攝頻率信號的相位來反映光程的變化。干涉測量系統(tǒng)中的任何細微干擾都可能像扇動翅膀的蝴蝶一樣對測量精度產生嚴重影響，以實現(xiàn)皮米級位移識別。因此，皮米級激光干涉儀的核心問題在于追溯噪聲，了解噪聲，抑制噪聲。

在激光干涉儀的研究方面，海外起步較早。經過20多年的技術積累，目前對空間引力波探測激光干涉儀系統(tǒng)的認識已經相對清晰。對限制干涉儀測量精度的各種噪聲進行了詳細的建模和驗證，并進行了嚴格的實驗驗證，全面分析了各種噪聲的基本性質，開發(fā)了多種不同功能的激光干涉儀。國內起步較晚，在國外核心設備和技術封鎖的背景下，太極團隊獨立進行研究，目前已取得重大進展。

在激光干涉儀系統(tǒng)噪聲分析方面，研究團隊逐步分析了單機負載的構成部分，建立了太極計劃干涉儀系統(tǒng)的噪聲指標體系，以皮米級激光測距指標為頂層指標。研究發(fā)現(xiàn)，看似微小的干擾，如激光器的頻率抖動、衛(wèi)星平臺的振動、光學平臺的熱脹冷縮、干涉器的應力變化、探測器的背景噪聲、光學系統(tǒng)的雜散光等，都會對皮米級的測量精度產生不可忽視的影響。在上述研究的基礎上，團隊進一步分析了噪聲影響機制，對主要噪聲進行了建模和驗證，從主動抑制、共模噪聲降低和數(shù)據(jù)后處理三個方面對噪聲抑制方案進行了研究，并提出了激光干涉測量系統(tǒng)的建設方案。

但是在激光干涉儀的研制方面，研究小組已經完成了國內首套光粘干涉儀樣機的研制。所謂光粘接，就是通過構建不同材料之間的共價鍵來實現(xiàn)玻璃基板與光學鏡片之間的無應力粘接的技術。利用光粘接技術，玻璃鏡片就像是從基板上“生長”出來的，兩者成為一個整體。選擇這種技術的根本原因是可以大大提高系統(tǒng)的結構和熱穩(wěn)定性，同時保證足夠的結構強度和可靠性，防止材料熱漲冷縮產生的光程噪聲對皮米測量精度的影響。除了選擇光粘結技術外，開發(fā)的激光干涉儀還采用了一體化設計，充分考慮了多功能再利用，不僅具有三種干涉測量，還具有激光通信、對鐘、超前指向、Backlink等功能?，F(xiàn)已完成毫HZ頻段皮米甚至優(yōu)于皮米量級的地面測試精度，采用光粘干涉儀樣機和自主研發(fā)16通道相位計。

百步穿楊精確：激光捕捉瞄準系統(tǒng)

基于三顆衛(wèi)星之間的激光束對準，激光干涉儀的進入工作方式都是如此。由于導航定位精度的限制，三顆衛(wèi)星進入預定軌道后，各自的激光干涉儀無法直接“看到”對方；不僅如此，激光干涉儀還不滿足于“看到”對方，他們只需要對方的眼睛。干涉儀平臺間光束的指向抖動需要控制在納弧度水平，以保證皮米級干預測量的準確性，相當于從地球上投球到月球上一個籃筐的一個小角度。所以，為了達到百步穿楊般的精確度，太極計劃衛(wèi)星配備了專門的激光捕捉和瞄準系統(tǒng)。但是，太極計劃對激光捕捉和瞄準系統(tǒng)的需求遠遠超過了高精度。由于光束在自由空間中傳遞了300萬公里的距離，光束在接收衛(wèi)星的地方會因為擴散而變得非常大。進入接收衛(wèi)星的光線只占整個光束的一小部分。據(jù)估計，光功率只有100瓦的數(shù)量級，因此捕捉瞄準系統(tǒng)必須在“黑暗”條件下工作。

目前太極計劃采用三級捕捉檢測方案，以完成如此艱巨的任務。一級選擇星敏感器來確定衛(wèi)星姿勢，實現(xiàn)光束的初始指向。雖然星敏感器的精度遠遠達不到納弧度級的視角分辨率，但是由于其視場大，可以進行大規(guī)模的檢測，非常適合初始指向階段。二級選擇電荷耦合器件（CCD）或者補充金屬氧化物半導體（CMOS）捕捉相機進行掃描檢測，最初指向后兩顆衛(wèi)星的方向被限制在較小的范圍內，我們稱之為不確定區(qū)域。調整衛(wèi)星姿勢可以使光束完全掃描不確定區(qū)域。在某個時刻，光束將進入接收衛(wèi)星，并在相機上顯示光點。我們計算光點中心的位置，并將其與路面標定的相機參考位置進行比較，從而計算出光束的方向誤差，從而調整衛(wèi)星姿勢，完成光束捕捉過程。與星敏感器相比，捕捉相機的視場雖然較小，但其探測靈敏度較高，可以進一步將不確定區(qū)域縮小到第三級探測儀視場內。但是，到目前為止，納弧度級的測角要求還沒有得到滿足，第三級探測器也就是四象限探測器的肩膀上落下了重任。一般來說，四象限探測器利用每個象限之間的光強差來計算角度誤差，但由于暗電流噪聲的影響，這種強度敏感方案很難滿足要求。太極計劃考慮采用一種叫做差分波前傳感的技術，利用象限檢測的干涉信號，通過識別波前誤差來實現(xiàn)納弧度級的測量分辨率，從而調整衛(wèi)星姿勢來完成光束的高精度和瞄準。

可以看出，納弧度激光捕捉和瞄準不僅取決于高精度的角度測量技術，還取決于每個測試階段之間的配合。研究小組對以上兩個方面進行了研究。在測量技術方面，分析了捕捉相機背景噪聲對光點中心定位精度的影響，制定了適合暗光檢測的高精度質心算法；分析了瞄準階段使用的差分波前傳感技術的非線性特性和零偏差特性對鏈接建立過程的影響，提出了捕捉瞄準光學系統(tǒng)的設計方案；在整體方案驗證方面，建立了國際首個空間引力波探測激光捕捉瞄準一體化路面試驗系統(tǒng)。在全面模擬軌道運行狀態(tài)的情況下，試驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)激光捕捉和瞄準全過程的自動模擬。激光捕捉精度優(yōu)于1。 在毫HZ頻段達到納弧度水平的微弧度和瞄準精度，可以滿足太極計劃的要求，充分驗證了捕捉瞄準測量方案和技術的可行性。

穩(wěn)定不動如山：慣性傳感器

如上所述，空間引力波探測是根據(jù)空間中兩個測點之間光束傳遞的距離變化，對引力波信號進行反演。激光器提供了位移測量方法，激光捕捉和瞄準系統(tǒng)保證了干涉器的正常工作?，F(xiàn)在我們需要考慮哪里可以找到測量點？為了測量微弱的引力波信號，測量點需要盡可能避免引入其他物理藕合因素的相對位移變化，然后處于極其穩(wěn)定的自由漂浮狀態(tài)。實際上，我們應該測點。 在一個氫原子半徑的百分之一水平上，5分鐘(一個特征周期)的質心平均位置漂移。然而，即使在非常穩(wěn)定(甚至零擾動)的空間環(huán)境中，太陽光壓、宇宙射線、電磁環(huán)境等干擾源仍然廣泛存在，這些影響足以吞沒引力波信號。因此，我們需要研究一個系統(tǒng)來隔離這些噪音，這個系統(tǒng)就是慣性傳感器。慣性傳感器的主要任務是保持其內部檢測質量塊在空間內實現(xiàn)高性能的自由漂浮，使其成為我們需要的穩(wěn)定測點。

慣性傳感器是最基本的彈簧振子系統(tǒng)，由檢測質量、彈簧和阻尼器組成。當外力作用于檢測質量時，檢測質量的運動狀態(tài)會發(fā)生變化，外力的大小和目標可以通過測量彈簧的變形或阻尼器的阻尼力來推導。通過慣性原理，可以測量加速度、速度、位置等信息。檢測質量，并將信息傳遞給無拖動控制系統(tǒng)。無拖動控制系統(tǒng)可以通過衛(wèi)星微助推器的反向補償來實現(xiàn)衛(wèi)星跟隨檢測質量的目的，從而進一步減少外界噪聲的影響。對于空間引力波探測來說，外界噪聲極其微弱，因此多采用以電容傳感和靜電驅動為核心的測量和控制措施，可以大大提高系統(tǒng)的測量精度。該技術已廣泛應用于地球重力場測量等領域。

慣性傳感器的基本原理看似簡單，但在實際研究中，應考慮各方面的設計約束。比如為了克服發(fā)射階段環(huán)境振動條件對檢測質量的破壞性影響，一般系統(tǒng)會設計一套路面鎖緊裝置進行鎖定，然后在進入軌道后以極低的初速釋放出來，方便靜電捕捉；為了減少通過飛船到達檢測質量的高能顆粒，將設置一套電荷管理系統(tǒng)，通過光電效應中和電荷累計影響；為了準確獲得檢測質量周圍的電磁熱環(huán)境水平，測試質量周圍還設置了多種相應的傳感器。此外，慣性傳感器的開發(fā)還需要深入探討一系列問題，如材料殘留磁性、系統(tǒng)自引力補償、熱傳導等。同時，慣性傳感器需要在溫度較強的環(huán)境中工作，并配備復雜的溫控系統(tǒng)。此外，慣性傳感器的開發(fā)還需要深入討論一系列問題，如材料殘留磁性、系統(tǒng)自引力補償、熱傳導等。同時，慣性傳感器需要在溫度較強的環(huán)境中工作，并配備復雜的溫度控制系統(tǒng)。因此，為了實現(xiàn)對空間引力波的高靈敏度檢測，慣性傳感器通過多功能系統(tǒng)配置和復雜的系統(tǒng)設計，確保在軌道上檢測質量，實現(xiàn)近乎完美的自由漂浮。

研究小組開展了一系列關于慣性傳感器核心技術的研究工作。其中，高精度電容傳感和靜電控制技術部分完成了毫HZ頻段靜電驅動控制穩(wěn)定性優(yōu)于百萬分之一的超高精度水平，首次提出并構建了全自由度電容傳感校準系統(tǒng)；檢測質量和電極籠樣機的開發(fā)已經完成，集成后輪之間的串擾藕合優(yōu)于萬分之一；同時，建立了高精度扭秤弱力測量路面驗證系統(tǒng)。這一成果為實現(xiàn)空間引力波探測極高精度慣性傳感器的順利開發(fā)奠定了堅實的基礎。

未來，項目團隊將繼續(xù)開發(fā)激光干預測量、激光捕捉瞄準和慣性傳感等關鍵技術，攻擊皮米級星間干預測距、高精度暗光鎖相、高精度電容傳感和靜電伺服控制等技術問題，幫助“太極二號”三星系統(tǒng)開發(fā)，推動系統(tǒng)從方案開發(fā)階段轉向項目實施階段。力爭在國際上實現(xiàn)第一次百萬公里距離星間激光干預測距試驗和國際空間引力波探測的突破。

感謝：感謝國家重點研發(fā)計劃“引力波探測”重點“星間激光干涉測量系統(tǒng)分析與設計”(項目編號：2020YFC2200100)、“時鐘頻率噪聲消除技術研究”(項目編號：2023YFC2206200)、“星間激光干涉及平臺藕合機理半物理仿真技術”(題目編號：2021YFC2202902)、“建立光鏈接系統(tǒng)模型和藕合噪聲分析”(主題編號：2022YFC2203702)、支持“慣性傳感器路面綜合評價方法”(題目編號：2020YFC2200601)。

這篇文章發(fā)表在IEEE上 2024年2月，Spectrum中文版《科技縱覽》。

專家簡介

中國科學院力學研究所助理研究員高瑞弘。

中國科學院力學研究所特別研究助理王少鑫。

劉河山：中國科學院力學研究所特聘骨干研究員，重點研發(fā)青年項目經理。

齊克奇：中國科學院力學研究所副研究員。

李 磐：中國科學院力學研究所副研究員，重點研發(fā)計劃課題負責人。

徐 鵬：中國科學院力學研究所研究員，重點研發(fā)項目負責人。

羅子人:中國科學院力學研究所特聘核心研究員，中國科學院微重力重點實驗室副主任，中國科學技術大學杭州高等研究院引力波宇宙太極實驗室副主任，空間引力波探測太極計劃首席科學家助理，國家重點研發(fā)計劃首席。

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原題：“聽宇宙的聲音：空間引力波探測太極計劃的新突破”

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