【編者按】

太空深處的未知，與地球上的人類有何關聯？無數代天文學家試圖回答這個問題。但它又不止是個天文學命題。

值“基礎科學促進可持續發展國際年”（IYBSSD）之際，中國科學院上海天文臺與澎湃新聞共同推出“光年之外”系列專題。中科院院士、“太極計劃”首席科學家吳岳良特別撰文，回溯人類探索引力波這一“時空漣漪”的一段簡史。

1915年，愛因斯坦建立的廣義相對論作為描述引力的經典場論，打破了牛頓萬有引力定律的超距作用假設，開辟了近代物理和宇宙學研究的新紀元。愛因斯坦“廣義相對論”方程組導出的一個最重要的預言便是引力波。

圖1 愛因斯坦引力場方程（作者供圖）

引力波由物質和能量的劇烈運動和變化產生，在時空幾何上呈現為時空曲率的一種波動，它在行進過程中擠壓或拉伸時空，類似水面泛起的漣漪，以光速向外傳播。

迄今為止，人類主要依靠可見光等電磁波手段（如紅外線、射電波、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線）來探測宇宙。但宇宙學和天文學研究表明，電磁波僅能直接探測不超過5%的宇宙組分，超過95%的宇宙組分目前只能通過間接手段來研究。

有別于電磁波，引力波提供了觀測宇宙的全新窗口，成為人類探索和認識未知世界的全新途徑和手段。因而引力波被稱為物理學皇冠上的明珠，是各國競爭的科學前沿。

引力波探測和研究可以打開通往宇宙黑暗深處未知領域的大門，為包括天文在內的基礎科學研究提供關鍵信息，這有可能揭開暗能量和暗物質的神秘面紗，為我們呈現一幅更完整的宇宙圖景。引力波將為揭示時空與引力的本質，探索統一理論提供一個不可替代的途徑。

近年來，美國激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory; LIGO）合作組報告了多個引力波探測事例，實現了人類對引力波探測零的突破，走在了世界前列。

LIGO在引力波探測上的成功標志著人類進入了利用引力波進行引力本質、宇宙起源和演化研究的新時代。

作為地面引力波天文臺，LIGO是目前一種主流的引力波探測方式，受地面噪聲以及干涉儀尺度的限制，它的探測頻段在10赫茲以上。由于波源特征質量小，引力波強度弱，它僅可探測紅移z≈1的范圍，約為120億光年（這里的紅移是指宇宙學紅移，是一種距離單位）。

實際上，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產生的引力波外，還包括起源于宇宙早期暴漲、原初黑洞、宇宙早期相變等產生的引力波。其引力波頻率覆蓋了從10-18赫茲到104赫茲的寬闊頻段。

大質量黑洞并合、大質量黑洞俘獲其他致密天體、雙致密天體繞轉、早期宇宙相變和宇宙弦等波源都能產生頻率處于中低頻段的引力波。中低頻波源的特征質量大，引力波強度強，其探測范圍可覆蓋幾乎全宇宙空間（紅移z≈12）。更高紅移、更大特征質量和尺度的波源，有更深刻的宇宙學和天文學意義。

探測這個頻段的引力波需要擺脫地面噪聲和地面實驗尺度的限制，在太空實現百萬公里級精密激光干涉測量（圖2）。

圖2 不同的引力波源和對應的探測裝置（作者供圖）

不同于地面，空間引力波探測主要瞄準從幾千至幾百萬太陽質量的超大黑洞波源，其探測頻段為中低頻（0.1毫赫茲～1赫茲)。目前在中低頻段，國際科學界尚未成功探測到引力波。

國際上最早的空間激光干涉引力波探測項目，可以追溯到1990年代的激光干涉空間天線（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）項目，它由美國航空航天局和歐洲航天局合作發展。這也是近30年來發展相對成熟的空間引力波探測計劃。

2016年，天文學家使用LISA探路者執行LISA項目的技術包演示驗證計劃。這項在軌試驗的成功，證明了在現有條件下實施大型天基引力波探測的關鍵技術是可行的。

2008年，我國科學家開始探討中國的空間引力波探測計劃。

2012年，在巴黎舉辦的首屆eLISA聯盟會議上，我國科學家首次提出中國空間引力波探測計劃。

不同于LISA早期計劃的五百萬公里和eLISA計劃的一百萬公里。2016年，該計劃向外公布為“太極計劃”，由三顆間距三百萬公里的正三角形編隊的衛星組成，以太陽為中心且質心位于地球公轉軌道上，落后/超前地球約二十度（如圖3）。該探測方案能夠很好地避免地球重力噪聲影響，滿足高靈敏度探測所需的溫控條件。

為滿足科學目標，循序漸進地實現關鍵技術突破，太極計劃制定了由“太極一號、太極二號、太極三號”組成的 “三步走”發展戰略。

“太極一號”已于2019年8月底成功發射，為我國空間引力波探測邁出了奠基性的第一步。

圖3 我國科學家提出的空間引力波探測太極計劃

空間引力波探測不僅關涉基礎科學研究的發展，還能極大推動一批具有戰略前瞻性的關鍵技術發展，包括：高精度超穩激光干涉儀、引力參考傳感器、超高精度無拖曳控制、微牛級推進器、超穩超靜衛星平臺等。

相關學科的發展，也能培養一批掌握前沿技術的高素質專業人才，帶動相關前沿產業的發展。

空間引力波探測仍是人類的未竟之業。但國際科學界都期待著，能早日實現空間引力波探測“零的突破”，它必將帶來空間科學與整個基礎科學的重大變革。

對于太空漣漪的探測與求索，并不遙遠，正是一代又一代基礎科學人對于未知與遠方的追問，推動著人類文明不斷向前。

（作者吳岳良系中國科學院院士，空間引力波探測“太極計劃”首席科學家。）

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“光年之外”專題，由“共話天文與人·賦能未來發展”天文論壇特別邀約國內外頂尖天文科研工作者撰文，該論壇由中國天文學會主辦，中國科學院上海天文臺和國際天文學聯合會天文促發展辦公室東亞區域辦公室承辦，它是IYBSSD2022基礎科學促進可持續發展國際年系列活動之一。