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“天琴一号”升空 从太空中探测引力波

作者:admin      发布日期:2019-12-25   点击:

原标题:“天琴一号”升空 从太空中探测引力波

“天琴计划”是以中国为主导的国际空间引力波探测计划,“天琴一号”技术试验卫星是空间引力波探测的探路者。

新京报快讯(记者 倪伟 通讯员 贺喜梅)12月20日,伴随着长征四号乙运载火箭升空,我国“天琴”引力波探测计划首颗技术试验卫星——“天琴一号”进入太空,开启空间引力波探测技术探索计划。

“天琴一号”升空 从太空中探测引力波

12月20日11时22分,太原卫星发射中心,长征四号乙运载火箭成功发射天琴一号等九颗卫星。摄影/贺萌

“天琴计划”2014年由中山大学校长、中国科学院院士罗俊提出,以中国为主导的国际空间引力波探测计划。“天琴一号”技术试验卫星由航天科技集团五院航天东方红卫星有限公司抓总研制,是空间引力波探测的探路者。

根据规划,“天琴计划”将在地球轨道上部署3颗卫星,组成臂长十几万公里的等边三角形编队,构成空间引力波探测“天文台”。获取的观测数据将用于开展引力波、宇宙学、天文学等方面的基础科学研究。

在太空搭建引力波探测“天文台”

1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。通俗来讲,因为质量的存在,物体边界处会发生时空弯曲,引力波就是时空弯曲中的涟漪,对于研究宇宙的起源、发展、演变意义重大。

2016年初,美利坚合众国LIGO地面引力波探测装置首次直接探测到了引力波,找到了验证爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图,掀起引力波探测研究的热潮。三名参与LIGO项目的科学家因为对引力波观测的贡献,获得了2017年诺贝尔物理学奖。

在地面装置探测引力波的同时,天琴计划将在太空中伸出触角,探寻引力波的信号。

据“天琴一号”技术试验卫星总设计师张立华介绍,地面由于激光干涉测量臂长的限制,只能探测到高频引力波。要探测到更宽域的低频引力波,只能上太空,形成长达数万公里到数百万公里的干涉臂长。

根据规划,“天琴计划”将在地球轨道上部署3颗卫星,组成臂长十几万公里的等边三角形编队,构成空间引力波探测“天文台”。

这个“天文台”将通过激光干涉测距系统,精确测量卫星内部检验质量之间距离的微小变化,实现探测引力波的目的。获取的观测数据将用于开展引力波、宇宙学、天文学等方面的基础科学研究。

“天琴一号”升空 从太空中探测引力波

天琴一号在厂房中。图/航天科技集团五院

天琴计划数据有望提供给全世界科学家

在“天琴一号”技术试验卫星项目中,我国首次采用国家、地方、高校、企业共同联合研发的模式。

国家航天局为工程大总体管理单位,中山大学为用户单位,航天东方红卫星有限公司为卫星总体负责单位,试验载荷分别由中山大学、华中科技大学、五院等国内有关单位研制。

张立华说,空间引力波探测是世界性的难题,对航天器性能提出了极高要求。高校提出科学目标、任务需求,承担部分科学载荷的研制,航天工业部门完成卫星研制,两者结合。

作为“天琴一号”用户单位,中山大学还负责了科学应用系统的建设和运行,在航天东方红卫星有限公司和各承制单位的支持下,完成卫星的在轨试验任务协调与管控、数据接收、处理、存档、分发和数据质量评定。

据“天琴一号”技术试验卫星总体主任设计师黎明介绍,未来“天琴计划”的数据,有望提供给全世界科学家共同研究。

“天琴一号”如何人工营造“纯引力”环境?

空间引力波探测带来了极大的技术挑战,很多技术指标高于现有水平数个量级。技术试验卫星将先行验证相关技术,关键技术取得实质性突破以后,再研制能探测到引力波的卫星系统。

无拖曳控制,是“天琴一号”要重点攻克的难题。

所谓无拖曳控制,就是依靠微推进系统在航天器上施加持续的推力,以此“抵消”航天器在轨道上受到的大气、太阳光压等力,从而为卫星内部“自由悬浮”的检验质量,提供一个近乎“纯引力”的飞行环境。

在此基础上,一旦实现了通过激光干涉测距技术,精确检测两颗卫星检验质量之间微弱的距离变化,卫星就具备探测到引力波的能力。

张立华解释,如果没有其他力的作用,两个在“纯引力”作用下的检验质量之间距离是不变的。而在引力波的作用下,距离就会发生变化。但这是极其微小的变化,所以对探测精度要求非常高,激光干涉测距的精度要达到皮米级。这对航天器的很多性能都带来了挑战,例如极高的热稳定性、结构稳定性以及星间指向的稳定性等。

为实现无拖曳控制技术在轨验证,“天琴一号”配置了高精度惯性传感器,和微牛级连续可调的冷气微推进系统,作为无拖曳控制系统的敏感器和执行机构。同时,通过高稳定温度控制、精准的质心控制,为无拖曳控制提供良好的环境保障。

新京报记者 倪伟

编辑 丁天 校对 何燕



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