一百年前,爱因斯坦创立广义相对论后不久,他预言了引力波的存在。在过去的一个世纪里,来自世界各地的科学家为发现和发现引力波做出了巨大的努力,并建造了各种实验装置。2016年2月11日,LIGO(激光干涉引力波天文台)实验小组宣布直接观测到引力波信号。这一划时代的发现开启了引力波物理学、天文学和量子宇宙物理学研究的新时代。

宇宙中的引力波来自于天体能量和质量的变化。不同频率的引力波对应不同的天体物理过程。引力谱分析表明,地面观测到的高频(>10Hz)引力波主要对应于稠密双星的引力辐射。20世纪60年代,人们开始使用谐振天线来探测地面上的引力波,但是由于灵敏度不够,没有得到明确的结果。自20世纪90年代以来,人们开始使用激光干涉测量法来测量地面上的引力波。他们的手臂可达4公里(美国的LIGO)、3公里(意大利和法国的处女座)、600米(德国和英国的地球同步轨道)和300米(日本的TAMA300)。他们的技术水平比谐振天线法的探测灵敏度高出四个数量级,使LIGO实验小组能够直接观察到引力波信号。

近年来,X射线天文观测提供了在致密动态环境(如星团)中存在中等质量黑洞的证据,中等质量黑洞作为超大质量黑洞的早期种子源的存在在理论上已被普遍接受。由于空间距离的限制和地球重力梯度噪声的影响,地基引力波探测实验装置无法探测10Hz以下的引力波,使得其研究目标相对有限。

出于这个原因,许多国家的科学家正在加强他们的研究项目,以探测太空中的引力波。1993年,欧洲航天局(欧空局)首次提出激光干涉空间天线计划,测量10-4-10-2Hz波段的空间引力波。LISA计划的引力波源是双星、超大质量双黑洞和超大质量双黑洞的组合、普通星系核中的超大质量黑洞捕获恒星质量黑洞、超大质量双星以及大质量天体的爆炸。2015年底,LISA的关键技术验证卫星LISA-探路者已经发射。它计划在2025年左右(可能到2030年或更晚)发射,通过三个各相距500万公里并装有空间激光干涉仪的卫星组探测空间引力波。

最近,美国提出的后爱因斯坦计划包括两颗恒星,其中一颗是“大爆炸观测者”,重点是探测地面和LISA之间的中频(1x 10100赫兹)引力波。日本还提出了DECIGO计划,在类似的频段观测引力波。中频带引力波的来源主要是中等质量的致密双星(黑洞、中子星、白矮星)和大爆炸早期(10-34秒后)产生的引力波。空间激光干涉测量中低频引力波将是天文学和空间宇宙物理学的前沿课题。

空间引力波探测已被纳入中国科学院制定的太空2050计划。中国科学院于2008年发起成立了中国科学院空间引力波探测示范小组,由中国科学院的几个研究所和院外大学的科研机构共同参与,开始规划未来几十年中国空间引力波探测的发展路线图。经过几年的努力,太极项目工作组已经成立,主要由中国科学院的科研人员组成,主要科学家是胡文瑞院士和吴月良院士。在中科院领先的科技项目空间科学高级研究项目连续三个阶段的支持下,工作组组织了各种学术交流活动和研讨会,包括香山会议等。,并在引力波源的理论和探测以及卫星技术的研究方面取得了很大进展。

经过引力波探测研究工作组的多次讨论和论证,“太极计划”计划表明,中国将在2030年前后发射一个由三颗位于等边三角形顶部的卫星组成的引力波探测星群,通过激光干涉直接探测中低频带(1x 10-4-1.0赫兹)的引力波。卫星使用无阻力技术。卫星群中的卫星相距300万公里,激光功率约为2瓦,望远镜直径约为0.5米,加速度噪声为3×10-15毫秒-2/√赫兹。频率范围包括LISA的低频和DECIGO的中频。太极计划的主要科学目标是观察由两个黑洞合并和质量比最大的天体合并产生的引力波辐射,以及其他宇宙引力波辐射过程。

专家坦言,中国目前的技术能力与国际先进水平还有一定差距,通过良好的国际合作可以在一定程度上弥补这一差距。目前,太极项目工作组已与其国际同行建立了广泛联系,并与德国马克斯·普朗克重力物理研究所和莱布尼茨大学爱因斯坦研究所进行了深入合作。太极规划工作组安排人员参加LISA合作小组年会,并每年轮流与德国马普重力物理研究所举行合作交流会议,讨论交流研究中遇到的问题。

记者了解到,“太极计划”是中欧合作的国际合作计划。它有两个计划。方案一是参加欧洲航天局的eLISA双边合作计划。双方科学家第三次会议将于今年秋季举行,以完成双边合作的可行性报告,然后双方将在实施前向主管当局报告,以供批准。方案二是发射一组中国引力波探测卫星,并邀请2035年前后发射的eLISA卫星组进入太空进行低频引力波探测。方案二计划于2033年前后发射,以实现中国大规模先进科学卫星计划的突破。届时,中国卫星集团和eLISA卫星集团将同时独立进行空间引力波探测,相互补充,并检查测量结果。中国将成为世界上最重要的空间引力波研究基地之一。