2016年2月11日，美國鐳射干涉引力波天文臺（LIGO）宣佈探測到引力波，遠在13億光年之外的兩個黑洞相撞産生的“巨響”從此刻開始傳遍整個地球。聽到“巨響”後，我國迅速做出反應，啟動了“引力波探測”重點專項，致力於進一步揭示宇宙之謎。

2021年，“引力波探測”重點專項第一期任務“星間鐳射干涉測量系統分析與設計”項目啟動會在北京召開，項目首席科學家、中國科學院力學研究所研究員羅子人在表示：“宇宙像一個無限延伸的球，人類對宇宙的探測走得越遠，遇到的問題越多。”為中國引力波探測事業發展加薪助燃，使人類可以管窺更多宇宙的浩渺和神秘，正是這一任務以及執行團隊所要達到的目標。

捕捉時空漣漪

引力波是一種“時空漣漪”，就像是一塊石頭被丟進平靜的湖裏而産生的波紋。它最初只是阿爾伯特·愛因斯坦的一個理論構想，來源於方程式的推導，而非真實的實驗觀察。愛因斯坦在他的廣義相對論中預言了引力波的存在，他認為某些品質非常大、速度變化又非常快的物體，會對周圍時空結構産生擾動，引力波就是時空擾動向外傳遞的微小漣漪。這種漣漪有多微小呢？愛因斯坦説，引力波小到永遠無法被觀測到。

起初，“引力波是否能被探測到”一度是一個有爭議的問題。為了尋找引力波，一眾科學家做了各式各樣的嘗試，直到1974年脈衝雙星PSR B1913+16的發現才間接證明了引力波是存在的。接下來就是直接探測引力波，20世紀80年代，立足於物理學家雷納·韋斯提出的“利用鐳射干涉儀來探測引力波”想法，美國啟動了鐳射干涉引力波天文臺（LIGO）計劃，致力於建設世界上最大的引力波探測儀。2002年，LIGO搭建完成並開始了對引力波的探測。

2016年2月11日，LIGO宣佈他們在2015年9月14日觀測到了來自兩個黑洞併合時釋放的引力波，並推測出兩個黑洞的品質分別為36及29個太陽品質，併合後的品質為62個太陽品質（缺失的3個太陽品質以引力波的能量輻射出來），距離我們約13.4億光年。至此，人類歷史上第一次直接觀測到了引力波。

我國科學家從2008年開始啟動中國空間引力波探測計劃的研究，由中國科學院牽頭組織全國優勢力量成立論證組，胡文瑞院士為第一任組長；2012年，中國科學院牽頭成立了我國空間引力波探測工作組，由吳岳良院士擔任組長，並首次提出了基於日心軌道方案的中國空間引力波探測計劃，此計劃于2016年被命名為“太極計劃”，吳岳良院士為首席科學家，胡文瑞院士為首席顧問。“太極計劃”將打開中低頻段（0.1mHz～1Hz）的引力波觀測窗口，為人類研究宇宙起源與演化、黑洞起源與演化、引力本質、暗能量和暗物質等提供全新的方法和手段。由於空間引力波探測涉及一系列關鍵技術，“太極計劃”提出了“單星”“雙星”和“三星”三步走的發展路線圖。羅子人就是“單星”任務——“太極一號”核心測量分系統的主任設計師。

據羅子人介紹，“太極一號”的任務主要是驗證空間引力波探測技術路線的可行性。不同於地面探測，在太空中，人類能探測到中低頻段的引力波信號，能夠發現天體品質更大、距離更遙遠的引力波波源，揭示更為豐富的天體物理過程。然而，由於引力波信號極其微弱，實施空間引力波探測挑戰巨大，需要突破目前人類精密測量和控制技術的極限。所涉及的核心技術包括高精度星間鐳射干涉系統、引力參考感測器、超高精度無拖曳控制、微牛級推進器、超穩超靜衛星系統等。“太極一號”衛星正是瞄準了這一重大科技前沿，對這些核心技術的可行性和實現途徑進行在軌驗證。

“太極計劃的關鍵技術很重要，但發展這些關鍵技術的技術路線也很重要。如果技術路線走得不對，那對整個研究計劃會産生重大影響。”羅子人所在團隊只用了不到一年的時間就完成了“太極一號”的研製工作。雖然時間緊、任務重，但整個團隊頂住壓力取得了令人滿意的結果。2019年8月31日，“太極一號”成功發射，並圓滿完成了第一階段的在軌測試。為了讓這顆衛星發揮更大的價值，羅子人團隊在衛星上搭載了品質鐳射干涉儀和引力參考感測器兩個核心繫統，實現了我國迄今為止最高精度的空間鐳射干涉測量。此外，他們還在該衛星上成功進行了我國首次在軌無拖曳控制技術試驗，並在國際上首次實現了微牛級射頻離子和雙模霍爾電推進技術的在軌驗證。可以説，“太極一號”從零到一的突破，驗證了我國空間引力波探測“太極計劃”技術路線的可行性。同時，“太極一號”圓滿完成在軌測試也標誌著“太極計劃”三步走中第一步任務目標已成功實現，並轉入拓展實驗階段。

“以前，我們總是聽到一些聲音：中國在引力波探測研究方面是不是和國外差距很大？畢竟人家在20世紀80年代就開始做了，咱們才剛剛起步，這種差距怎麼能追上？但是，‘太極一號’發射成功以後，這些聲音漸漸消失了。因為大家發現，中國與國外的差距其實並沒有想像中那麼大，中國有中國的優勢。咱們國家只要決定做一件事情，可以集中全國的優勢力量去達到目標。”羅子人説道。

對技術路線可行性驗證通過後，項目團隊將進一步開展地面關鍵技術攻關，並瞄準“太極計劃”第3步——“太極三號”的目標進行展開。但受地麵條件如百萬千米臂長模擬、地面噪聲水準等的限制，無法對所有關鍵技術進行真實檢驗。為此，須通過“太極二號”雙星計劃對“太極計劃”絕大部分關鍵技術進行高指標的在軌驗證，幫助判斷地面所做的測試、分析、評估和拓展等實驗是否合理，提升關鍵技術的穩定性和可靠性，降低空間引力波探測“太極計劃”的技術風險。在“太極二號”的攻關任務中，羅子人擔任首席科學家助理，他説：“我們希望‘太極二號’的關鍵技術驗證能夠覆蓋‘太極三號’的所有關鍵技術，並且在指標上能夠實現相同或者差距不大這樣一個水準。這樣的話，‘太極二號’發射之後，我們就敢拍著胸脯説‘太極三號’肯定沒問題。”

如今，羅子人團隊的付出迎來了回饋：“太極一號”已經完成在軌任務，在驗證了空間引力波探測關鍵技術的基礎上，基於北斗導航數據以及星載引力參考感測器數據，完成了我國首次全自主的全球重力場測繪；“太極二號”目前已完成所有關鍵技術的地面攻關，並且通過了現場實驗驗證的評審，所有關鍵技術達到5級以上，具備轉入衛星工程階段的狀態。他們的技術正在推動中國航太邁向更遙遠的深空。

團隊合影

開啟“引力宇宙”

2015年，LIGO首次探測到引力波後，世界範圍內研究引力波的熱情再次被點燃。是年年底，羅子人從德國回到中國科學院力學研究所專職從事太極項目的研究，從此一心撲在“太極一號”的研製工作中。“我們的團隊很年輕，平均年齡才30多歲。正是因為‘太極一號’的成功，所以得到了相關領導的信任，我們可以在‘太極二號’中繼續貢獻力量，也承擔了‘引力波探測’重點專項的星間鐳射干涉測量系統分析與設計研究。”

“引力波探測”重點專項將為我國在激烈的國際競爭中搶佔先機奠定堅實基礎。在科學目標上，我國的“引力波探測計劃”既包含與LISA（eLISA）波段重疊的波源，如超大品質黑洞的併合、極大品質比繞轉系統和河內白矮星繞轉等，又包含有別於LISA的中品質黑洞併合過程的波源。對這些引力波源的探測，不僅能探測到單例黑洞併合過程中強引力場的一些性質，以檢驗廣義相對論並測量黑洞的很多參數，還將直接給出對冷暗物質相關模型的限制，對理解宇宙早期演化、星系結構形成、超大品質黑洞的形成和成長等重大天文問題提供直接觀察數據。對低紅移星團中的中品質黑洞俘獲小黑洞所釋放的引力波的探測，還將對理解球狀星團、年輕星團及矮星系等結構，以及星團與星系間的關係，提供一條重要的途徑。

“我們的計劃是希望我國的引力波探測器能夠跟歐美合作的LISA同時上天，大概在2030年前後。因為很多引力波的波源，通過電磁手段已經觀測到了。銀河系的一些緻密雙星系統，通過計算發現它們輻射的引力波信號強度非常強，所以探測器上天以後應該可以馬上觀測到引力波信號。到那時，中國才有望開啟‘引力宇宙’。”羅子人説道。

現如今，“星間鐳射干涉測量系統分析與設計”已完成中期考核，各項指標通過了現場實驗驗證的評審，進展狀態良好。更值得高興的是，整個團隊在研究過程中一步步發展壯大，一批年輕人迅速成長起來，並在核心崗位上逐步發揮不可替代的作用。數據處理和噪聲建模方向的徐鵬研究員、鐳射干涉儀和相位計研究方向的劉河山副研究員、引力參考感測器和鎖緊釋放研究方向的齊克奇副研究員、地面實驗驗證與實驗方案設計研究方向的牛宇副研究員、星間鐳射捕獲與跟瞄研究方向的高瑞弘助理研究員……這些後起之秀皆是我國探索深空的未來生力軍。

羅子人説：“引力波探測是一項久久為功的事業。宇宙有多大，我們的舞臺就有多大；宇宙有多遠，我們的志向就有多遠。”在這條道路上，中國科研團隊仍在不懈奮鬥探索，以科學技術奏出更多宇宙華章。