各位好，這個(gè)“太極計(jì)劃”是我目前正在從事的探測(cè)引力波的重大專項(xiàng)。不同于地基的引力波探測(cè)器，我們這座太空中的引力波探測(cè)器尺寸巨大，尺度可達(dá)300萬(wàn)公里，接近地月距離的8倍，可謂是人類研制的最大探測(cè)器。

2015年，人類首次直接探測(cè)到雙黑洞合并產(chǎn)生的引力波，開(kāi)啟了引力波天文學(xué)時(shí)代。經(jīng)過(guò)這些年的科普，很多人應(yīng)該對(duì)引力波有了一個(gè)基本的了解。為了照顧更多的朋友，我還是首先介紹一下有關(guān)引力波的基本概念。

2015年，LIGO的兩座觀測(cè)站分別探測(cè)到的引力波信號(hào)。

我打個(gè)比方，如果把宇宙想象成一張蹦床，星星是放在上面的保齡球。球越重，床陷得越深。當(dāng)兩個(gè)黑洞突然撞到一起，就像猛地晃動(dòng)蹦床，一圈圈“時(shí)空漣漪”會(huì)以光速向外跑——這就是引力波。

2015年美國(guó)的LIGO引力波天文臺(tái)第一次“聽(tīng)見(jiàn)”恒星級(jí)黑洞發(fā)出的高頻引力波，可以看做是“女高音”。基于這個(gè)研究，三位美國(guó)科學(xué)家拿到了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但宇宙還有大量的低頻引力波，它們猶如“男低音”和“超低音”，這種頻率的引力波還沒(méi)被收錄，而“太極計(jì)劃”大科學(xué)就是中國(guó)專門(mén)去錄低頻段引力波的天線。

更酷的是，引力波真的像聲音：頻率高的像“女高音”，頻率低的像“男低音”。只要我們能造出足夠靈敏的“麥克風(fēng)”，就能把宇宙這部“交響樂(lè)”完整錄下來(lái)。

電磁波只能照亮5%的宇宙，95%的宇宙要靠聽(tīng)

過(guò)去人類只用“看”——望遠(yuǎn)鏡收集可見(jiàn)光、無(wú)線電、X射線等電磁波。但這些只能照亮不到5%的宇宙，剩下95%的暗物質(zhì)、暗能量像隱身衣，看不見(jiàn)。引力波因?yàn)槭恰皶r(shí)空的波紋”，可以穿透黑暗，幫我們拍到宇宙隱藏的劇情。

這相當(dāng)于電磁波給宇宙拍了張照片，引力波要給宇宙錄段音。只有把“看”和“聽(tīng)”結(jié)合起來(lái)，我們才能拼出宇宙真正的高清全景圖。

宇宙里的引力波也分很多頻段

LIGO只能聽(tīng)“高音”，更低沉的“男低音”必須到太空去，因?yàn)榈孛嬗械卣稹⑷寺?、卡?chē)干擾，根本聽(tīng)不清。換句話說(shuō)，地面探測(cè)器像在學(xué)校操場(chǎng)聽(tīng)音樂(lè)會(huì)，太空探測(cè)器就像把麥克風(fēng)直接放到舞臺(tái)中央。

“太極計(jì)劃”的重要科學(xué)目標(biāo)

“太極計(jì)劃”有很多很重要的科學(xué)目標(biāo)，包括但不限于以下幾個(gè)方面：

1、給黑洞做“體檢”：稱體重（質(zhì)量）、量體溫（自旋）、發(fā)地圖（分布）。

2.、追蹤“種子”怎么長(zhǎng)成“大樹(shù)”：中等質(zhì)量（幾百～十萬(wàn)倍太陽(yáng)）種子黑洞是誰(shuí)生的？暗物質(zhì)能不能當(dāng)“種子”？小種子如何快速吃成超級(jí)大胖子？

3、找宇宙“第一代恒星”：第一代恒星質(zhì)量是太陽(yáng)的幾十到幾百倍，活得快死得早，太極要抓它們留下的“遺跡”。

4、給“大爆炸回聲”設(shè)上限：如果宇宙暴脹真的發(fā)生過(guò)，會(huì)留下原初引力波背景，太極將給出第一份“音量表”。

5、測(cè)“引力波的極化”：光波有偏振，引力波也有。不同極化模式對(duì)應(yīng)不同引力理論，太極將提供“一票否決”級(jí)別的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，幫愛(ài)因斯坦或他的挑戰(zhàn)者打分。

三顆衛(wèi)星編隊(duì)飛行，組成300萬(wàn)公里長(zhǎng)的“引力波天線”

編隊(duì)：2033年左右，一枚火箭一次把三顆衛(wèi)星送進(jìn)同一軌道，繞太陽(yáng)飛，整體落后地球約20°，距離地球5000萬(wàn)多公里——既躲開(kāi)了地球的引力噪聲，又能和地面天線愉快通信。

臂長(zhǎng)：每?jī)深w衛(wèi)星間隔300萬(wàn)公里，正好能“共振”0.1毫赫茲–1赫茲的引力波，相當(dāng)于給“男低音”量身定做的吉他弦。

激光：每顆衛(wèi)星伸出兩套幾十厘米口徑的望遠(yuǎn)鏡，互相發(fā)射紅外激光，形成三架巨大的“邁克爾遜干涉儀”。激光在300萬(wàn)公里的“真空管道”里往返，相位差能測(cè)到10皮米——相當(dāng)于量出北京到上海之間多出一根頭發(fā)絲的粗細(xì)。

測(cè)試質(zhì)量：衛(wèi)星中心懸浮著幾厘米大小合金立方體，它們才是真正的“傳感器”。引力波一來(lái)，立方體之間的距離微微抖動(dòng)，衛(wèi)星外殼卻被“無(wú)拖曳”系統(tǒng)牢牢護(hù)住，不讓任何外力碰它們。

要想保持三顆衛(wèi)星相對(duì)位置始終不變，可不是一件容易的事情，這需要傳感器和推進(jìn)器的精密配合。

我們利用慣性傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)、宇宙射線造成的“推力”，精度到0.1飛牛。我們使用微推進(jìn)器陣列（冷氣、離子或場(chǎng)致發(fā)射等多種微型發(fā)動(dòng)機(jī)）隨時(shí)反向噴氣，把衛(wèi)星“推”回理想軌道，讓測(cè)試質(zhì)量永遠(yuǎn)處于“自由落體”狀態(tài)。

除了利用微推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)之外，溫控也是一個(gè)非常重要的方面。衛(wèi)星外殼±0.000001℃的恒溫，避免熱脹冷縮假信號(hào)——相當(dāng)于把一間教室的溫度波動(dòng)控制在一根頭發(fā)絲直徑級(jí)別。

中歐的競(jìng)爭(zhēng)與合作

除了咱們的太極計(jì)劃外，歐洲也在推進(jìn)他們的引力波探測(cè)計(jì)劃“LISA"。LISA的尺度為250萬(wàn)公里，比咱們的太極稍短一些。兩個(gè)探測(cè)器雖然存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，但更具有強(qiáng)大的協(xié)同互補(bǔ)潛力。

兩個(gè)探測(cè)器雖然探測(cè)的頻段有重疊，但各自的靈敏度優(yōu)勢(shì)區(qū)間不同。聯(lián)合觀測(cè)能覆蓋更寬的頻率范圍，從而捕捉到種類更豐富的引力波事件。

由于單個(gè)引力波探測(cè)器難以精確確定波源在天空中的方位。太極和LISA在日心軌道上構(gòu)成一個(gè)巨大的空間干涉網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)三角測(cè)量法，能將引力波源的位置精度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這就像我們用兩只眼睛（兩個(gè)探測(cè)器）才能立體定位類似。

太極和LISA如同兩位技藝超群但各有所長(zhǎng)的“太空捕手”。它們的合作將為我們打開(kāi)一扇前所未有的窗口，讓我們能更清晰、更精確地“聆聽(tīng)”來(lái)自宇宙最深處的時(shí)空漣漪，共同揭開(kāi)黑洞、引力乃至宇宙起源和演化的奧秘。

值得一提的是，中國(guó)團(tuán)隊(duì)已突破“皮瓦級(jí)弱光鎖相”“飛牛級(jí)微推”“亞皮米穩(wěn)頻”等關(guān)鍵技術(shù)，部分指標(biāo)領(lǐng)先歐洲LISA Pathfinder一個(gè)數(shù)量級(jí)。

幾十年的堅(jiān)守：從“紙上談兵”到“太空彈琴”

2008年：中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心首次把“中國(guó)空間引力波探測(cè)”寫(xiě)進(jìn)《空間科學(xué)2050路線圖》。

2012年：成立“空間引力波探測(cè)工作組”，在eLISA聯(lián)盟大會(huì)上提出300萬(wàn)公里臂長(zhǎng)方案，歐洲人驚呼“太極參數(shù)”。

2016年：對(duì)外公布“太極計(jì)劃”。

2019年：太極一號(hào)技術(shù)驗(yàn)證星升空，完成無(wú)拖曳、激光測(cè)距、慣性傳感三大技術(shù)驗(yàn)證，已突破“皮瓦級(jí)弱光鎖相”“飛牛級(jí)微推”“亞皮米穩(wěn)頻”等關(guān)鍵技術(shù)。

2025年：拓展引力波探測(cè)前沿、搶占空間引力波探測(cè)科技制高點(diǎn)，已經(jīng)成為國(guó)家重大戰(zhàn)略，也是國(guó)家空間科學(xué)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2024--2050年）中五大主題之一“時(shí)空漣漪”的優(yōu)先發(fā)展方向。

到2030年代：太極三星將發(fā)射上天，正式開(kāi)麥“宇宙男低音”。

“太極計(jì)劃”的技術(shù)溢出清單，可用于回饋社會(huì)

經(jīng)常有人問(wèn)，探測(cè)引力波除了研究宇宙奧秘外，還有什么用？不得不說(shuō)，我們的太極計(jì)劃，還真很有用。為了高精度的引力波探測(cè)，我們攻克了層層技術(shù)難關(guān)，這些新的技術(shù)完全可用于日經(jīng)濟(jì)建設(shè)領(lǐng)域。比如：皮瓦級(jí)弱光探測(cè)，可用于下一代北斗/深空激光通信 ；飛牛級(jí)微推，可用于高精衛(wèi)星姿態(tài)控制、太空垃圾清理 ；亞皮米穩(wěn)頻，可用于光鐘、下一代GNSS，能讓定位誤差從厘米到毫米；超穩(wěn)望遠(yuǎn)鏡，可用于對(duì)地觀測(cè)、空間引力紅移實(shí)驗(yàn)；大數(shù)據(jù)算法，可用于引力波實(shí)時(shí)處理平臺(tái)，可轉(zhuǎn)醫(yī)療信號(hào)分析、金融脈沖識(shí)別等。

21世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)研究范式正從“小作坊”模式邁向“大科學(xué)”工程。在此浪潮中，中國(guó)一批科研重器蓬勃涌現(xiàn)：“中國(guó)天眼”聆聽(tīng)深空電磁波，“阿里計(jì)劃”致力捕捉原初引力波，“高海拔宇宙線觀測(cè)站”探測(cè)超高能粒子，“人造太陽(yáng)”攻關(guān)聚變能源，“高能同步輻射光源”解析微觀結(jié)構(gòu)等等。這些大科學(xué)裝置合力拓展人類認(rèn)知邊界。騰訊新聞推出《20問(wèn)中國(guó)20大科學(xué)重器》大型特別策劃，邀請(qǐng)20位科學(xué)家，給出從宇宙起源到未來(lái)能源的權(quán)威解讀。

本文轉(zhuǎn)載自《騰訊太空》微信公眾號(hào)