【编者按】

太空深处的未知，与地球上的人类有何关联？无数代天文学家试图回答这个问题。但它又不止是个天文学命题。

值“基础科学促进可持续发展国际年”（IYBSSD）之际，中国科学院上海天文台与澎湃新闻共同推出“光年之外”系列专题。中科院院士、“太极计划”首席科学家吴岳良特别撰文，回溯人类探索引力波这一“时空涟漪”的一段简史。

1915年，爱因斯坦建立的广义相对论作为描述引力的经典场论，打破了牛顿万有引力定律的超距作用假设，开辟了近代物理和宇宙学研究的新纪元。爱因斯坦“广义相对论”方程组导出的一个最重要的预言便是引力波。

图1 爱因斯坦引力场方程

引力波由物质和能量的剧烈运动和变化产生，在时空几何上呈现为时空曲率的一种波动，它在行进过程中挤压或拉伸时空，类似水面泛起的涟漪，以光速向外传播。

迄今为止，人类主要依靠可见光等电磁波手段（如红外线、射电波、可见光、紫外线、X射线和伽马射线）来探测宇宙。但宇宙学和天文学研究表明，电磁波仅能直接探测不超过5%的宇宙组分，超过95%的宇宙组分目前只能通过间接手段来研究。

有别于电磁波，引力波提供了观测宇宙的全新窗口，成为人类探索和认识未知世界的全新途径和手段。因而引力波被称为物理学皇冠上的明珠，是各国竞争的科学前沿。

引力波探测和研究可以打开通往宇宙黑暗深处未知领域的大门，为包括天文在内的基础科学研究提供关键信息，这有可能揭开暗能量和暗物质的神秘面纱，为我们呈现一幅更完整的宇宙图景。引力波将为揭示时空与引力的本质，探索统一理论提供一个不可替代的途径。

近年来，美国激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory; LIGO）合作组报告了多个引力波探测事例，实现了人类对引力波探测零的突破，走在了世界前列。

LIGO在引力波探测上的成功 标志着人类进入了利用引力波进行引力本质、宇宙起源和演化研究的新时代。

作为地面引力波天文台，LIGO是目前一种主流的引力波探测方式，受地面噪声以及干涉仪尺度的限制，它的探测频段在10赫兹以上。由于波源特征质量小，引力波强度弱，它仅可探测红移z≈1的范围，约为120亿光年（这里的红移是指宇宙学红移，是一种距离单位）。

实际上，宇宙中存在大量引力波源，除了由黑洞、中子星和致密星系并合产生的引力波外，还包括起源于宇宙早期暴涨、原初黑洞、宇宙早期相变等产生的引力波。其引力波频率覆盖了从10 -18 赫兹到10 4 赫兹的宽阔频段。

大质量黑洞并合、大质量黑洞俘获其他致密天体、双致密天体绕转、早期宇宙相变和宇宙弦等波源都能产生频率处于中低频段的引力波。中低频波源的特征质量大，引力波强度强，其探测范围可覆盖几乎全宇宙空间（红移z≈12）。更高红移、更大特征质量和尺度的波源，有更深刻的宇宙学和天文学意义。

探测这个频段的引力波需要摆脱地面噪声和地面实验尺度的限制，在太空实现百万公里级精密激光干涉测量（图2）。

图2 不同的引力波源和对应的探测装置

不同于地面，空间引力波探测主要瞄准从几千至几百万太阳质量的超大黑洞波源，其探测频段为中低频（0.1毫赫兹～1赫兹)。目前在中低频段，国际科学界尚未成功探测到引力波。

国际上最早的空间激光干涉引力波探测项目，可以追溯到1990年代的激光干涉空间天线（Laser Interferometer Space Antenna；LISA）项目，它由美国航空航天局和欧洲航天局合作发展。这也是近30年来发展相对成熟的空间引力波探测计划。

2016年，天文学家使用LISA探路者执行LISA项目的技术包演示验证计划。这项在轨试验的成功，证明了在现有条件下实施大型天基引力波探测的关键技术是可行的。

2008年，我国科学家开始探讨中国的空间引力波探测计划。

2012年，在巴黎举办的首届eLISA联盟会议上，我国科学家首次提出中国空间引力波探测计划。

不同于LISA早期计划的五百万公里和eLISA计划的一百万公里。2016年，该计划向外公布为“太极计划”，由三颗间距三百万公里的正三角形编队的卫星组成，以太阳为中心且质心位于地球公转轨道上，落后/超前地球约二十度（如图3）。该探测方案能够很好地避免地球重力噪声影响，满足高灵敏度探测所需的温控条件。

为满足科学目标，循序渐进地实现关键技术突破，太极计划制定了由“太极一号、太极二号、太极三号”组成的 “三步走”发展战略。

“太极一号”已于2019年8月底成功发射，为我国空间引力波探测迈出了奠基性的第一步。

图3 我国科学家提出的空间引力波探测太极计划

空间引力波探测不仅关涉基础科学研究的发展，还能极大推动一批具有战略前瞻性的关键技术发展，包括：高精度超稳激光干涉仪、引力参考传感器、超高精度无拖曳控制、微牛级推进器、超稳超静卫星平台等。

相关学科的发展，也能培养一批掌握前沿技术的高素质专业人才，带动相关前沿产业的发展。

空间引力波探测仍是人类的未竟之业。但国际科学界都期待着，能早日实现空间引力波探测“零的突破”，它必将带来空间科学与整个基础科学的重大变革。

对于太空涟漪的探测与求索，并不遥远，正是一代又一代基础科学人对于未知与远方的追问，推动着人类文明不断向前。

作者：吴岳良，中国科学院院士，空间引力波探测“太极计划”首席科学家

“光年之外”专题，由“共话天文与人·赋能未来发展”天文论坛特别邀约国内外顶尖天文科研工作者撰文，该论坛由中国天文学会主办，中国科学院上海天文台和国际天文学联合会天文促发展办公室东亚区域办公室承办，它是IYBSSD2022基础科学促进可持续发展国际年系列活动之一。

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