“天琴计划”在太空中发挥了中国引力波的运动

小夏 科学 更新 2024-02-15

记者 林杰,中国青年报记者。

2月初,中山大学珠海校区挂起了红灯笼,大部分师生都已回老家过春节。 在中山大学天琴中心的实验室里,有这样一群年轻人,正忙着过龙年的春节。

工程师刘林霞在实验中。 照片由受访者提供。

工程师刘琳霞就是其中之一,她负责的光平台透镜粘接实验正在如火如荼地进行中。 “需要粘接到光学台上的透镜和组件分为几十个步骤,每个步骤都需要在洁净室中进行。 特别是镜片的粘接,就是在几十秒内将高差不超过百分之一头发丝的玻璃片精确定位和粘接在凹凸面的表面上,因此在粘接的每一步之前,都需要几天的时间来调整组装工作。 实验过程中任何一步的粘接精度都达不到要求,之前的所有工作都白费了。 她说,为了按照规定的时间节点完成实验任务,实验室的师生们放弃了周末和假期。 光学平台作为空间引力波探测的核心部件,是亟待攻克的关键技术之一。

像刘林霞这样坚守在科研一线的师生有很多,正是他们对理想信念的坚持,对科研报国的热情,才让天琴工程得以顺利推进。

我们团队最近的一项研究重点是如何提高天琴座引力波数据分析的实时性。 中山大学天琴中心副教授胡一鸣说,天琴的一个重要观测对象是大质量黑洞的合并。 近年来,许多国际同行研究表明,当这些宇宙中的“巨星”合并时,它们可能会发出转瞬即逝的电磁信号。 通过将天琴引力波探测与电磁波观测相结合,可以全方位、三维地感知黑洞合并的瞬间,有望解答大黑洞起源、引力性质等诸多核心科学问题。 而这一切都取决于引力波数据分析的实时性。

胡一鸣表示,天琴绕地球轨道的选择,可以让引力波数据快速、实时地传输到地面,瓶颈在于如何快速、实时地完成对数据的分析。 使用传统方法,这个过程需要很长时间,通常需要在超级计算机上花费数天时间。 但多亏了天琴团队的共同努力,他们已经能够在几个小时内更新分析结果。 “现在,我们将继续努力进一步改进我们的分析,以实现实时分析。 ”

据了解,天琴有望提供大量其他探测手段无法获得的信息,特别是高红移大质量黑洞双星、星系或星团在原子核中的动力学、银河系中致密的双星系统等信息,对于揭示大质量黑洞的起源和生长历史具有重要意义。 星系或星团核区的动力学、恒星致密恒星的天体物理学、银河系中双致密恒星的起源和演化、宇宙的膨胀、引力和黑洞的性质、早期宇宙和高能标签物理学等。也有可能发现目前无法预测的新物理学,这将对促进天文学和物理学的研究产生重要作用。

天琴计划的发展需要攻克一系列关键核心技术,包括建立高精度惯性基准、星间激光干涉测量、实现超静态和超稳态卫星平台和大规模编队飞行、实现引力波探测信号识别与测量等,能够推动我国高精度太空探索的跨越式发展有效载荷和卫星技术,其技术进步在地球重力场的测量中具有重要的应用,具有重要的战略价值。

目前,天琴中心卫星平台技术实验室的师生们仍在持续推进该项目。 中山大学天琴中心特聘副研究员刘建平告诉中国青年报、中国青年网记者,寒假期间,团队仍保持不间断的科研,坚持实验试验和分组讨论,确保了项目的稳步推进。 空间引力波探测任务对超静态、超稳定卫星平台提出了前所未有的要求。 课题组成员在空间环境分析、引力波探测卫星一体化设计等多个方面取得了重要进展。 “我们将继续努力推进卫星平台相关技术的研究、测试和验证,以助力天琴早日发挥引力波在太空的运动作用。 ”

天琴计划是中国科学院院士罗军于2014年提出的一项空间引力波探测计划,被称为空间引力波探测的“中国计划”。 该计划预计将在2035年左右在地球轨道上以约10万公里的高度,在地球轨道上部署三颗相同的卫星,边长约为17万公里1MHz 1Hz引力波探测窗口解答了宇宙中大质量黑洞起源等重大科学问题,为人类揭开了更多宇宙的奥秘。

天勤计划按照“0123”技术路线图推进关键技术进步,确保引力波探测任务的实现。 每个阶段的数字代表需要发射的卫星数量。

“0”步是开展月球激光测距实验,研制新一代激光测距反射器,建设新的激光测距站。 2019年4月,天琴测距站完成土建工程竣工验收并开始运行,5月实现阿波罗15号合作目标测距,同年11月实现月球表面全部5个合作目标的高精度测距,国内首次,使中国成为世界上第三个完成试验的国家。

天琴测距站的主要目的是获得高轨卫星的精确测距能力,为天琴卫星的高精度定轨提供技术支撑。 为实现超远距离卫星高精度激光测距任务,天琴测距站率先开展了38万公里的地月测距工作。 天琴工程工程师韩希达说,“每一次准备都要一丝不苟,才能有极弱的月球信号。

韩希达解释说,这项工作的难点在于对超远距离38万公里测距望远镜的超高指向精度和跟踪精度要求,目前仍有少数台站能够实现地月激光测距。 2023年10月,通过台站师生的不懈努力,获得了1064nm波段满月测量信号,这是天琴测距站首次获得满月测量信号的测量信号,对日间测距起到了支撑作用。

第一步,“天琴一号”技术试验卫星于2019年12月20日成功发射,六项关键技术全部在轨测试,关键指标达到国内最高水平,实现了我国空间引力波探测核心技术的提升,并利用国内卫星数据在国内首次获得全球重力场模型。

第二步,天琴二号技术试验卫星已完成关键技术的地面验证,预计2026年左右将发射两颗卫星进行在轨试验。

第三步,天琴三号引力波探测卫星项目相关工作顺利推进,完成了天琴号主要科学目标的第一轮评估,解决了地月引力场的潜在影响。

采访中,记者了解到,天琴工程基础科研设施已全部建成,布局形成“一个中心+三站”,为天琴计划的实施提供了有力保障。 当前,面向国家战略需求,实验室在开展基础研究、促进学科发展、促进技术进步等方面发挥着主导作用。

*:中国青年报客户端)。

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