空间引力波探测技术实验视频讲解 处理空间引力波数据的技术

很多朋友对于空间引力波探测技术实验视频讲解和处理空间引力波数据的技术不太懂，今天就由小编来为大家分享，希望可以帮助到大家，下面一起来看看吧！

太空黑科技——微型射频离子发动机首次飞行验证！

出品：科普中国

制作：贺建武、马隆飞、康琦、段俐（中国科学院力学研究所）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

2019年8月31日，中国科学院在中国酒泉卫星发射中心发射了一颗名为"太极一号"的卫星，这是中国首颗空间引力波探测技术实验卫星，主要任务是实现关键技术的验证，为实现空间引力波探测打下基础。

一个世纪前，爱因斯坦基于广义相对论就预言了引力波的存在。然而直到2015年，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）才在地面探测到了引力波信号。三位美国科学家Rainer Weiss、Barry C. Barish 和Kip S. Thorne也因此获得了2017年的诺贝尔物理学奖。

不仅如此，国际上普遍认为，如果有人能在空间探测到引力波，获得更多频段的引力波信号，同样能获得诺贝尔级奖章。

引力波是物质和能量剧烈运动和变化引发的时空涟漪，它在传播过程中挤压或者拉伸时空，就像水面泛起的涟漪一般，以光速向外传播。

太空中引力波信号十分微弱，目前最好的方法就是利用光学手段，通过探测两个相距上百万公里的自由漂浮物体之间的距离变化来捕获引力波。

说起来简单，但这一技术的实现难度超乎人们想象，堪称挑战人类目前所掌握的技术极限。

早在2008年，由中科院发起，院内外多家单位参与，以中国科学院力学研究所胡文瑞院士为召集人成立空间引力波探测论证组，开始规划我国空间引力波探测在未来数十年内的发展路线图。2016年，中科院启动了空间引力波探测计划——太极计划。2018年，中科院"太极计划"先行者——"太极一号"任务立项，太极计划成员自此进入紧张的型号任务研制阶段。

考虑到引力波探测的难度，太极计划分多步进行。 "太极一号"任务是第一步，主要是在轨验证空间引力波探测的关键技术，包括高精度超稳激光干涉仪、引力参考惯性传感器、超稳超静平台、无拖曳控制和微牛级推进系统。 其中的每一项技术都十分复杂，而且非常重要。

众所周知，火箭的发射、宇宙飞船和卫星在太空中的运行都离不开发动机（发动机即推力器）。在太空中，光压、宇宙射线辐射等作用在航天器上的微牛级非保守力，都会影响卫星的超稳状态，因此需要开发微牛级推进系统以抵消非保守力对卫星平台的影响。 射频离子发动机，就是其中之一，同时，它也是世界上最先进的卫星发动机之一。

射频离子发动机，顾名思义，是靠吸收射频能量（也就是频率为300 kHz – 300 GHz的交流电）来维持其等离子体自持放电并产生推力的装置。

"等离子体"是我们所熟知的自然界物质的第四物态（气态、固态、液态和等离子体态），在生活中随处可见，如荧光灯、霓虹灯、氙灯和闪电等。 简单来说就是电离了的"气体"，由离子、电子以及未电离的中性粒子组成，整体呈电中性，但具有导电特性。

而射频离子发动机就是将等离子体中带正电荷的离子通过高压电场引出并加速，以几十公里每秒的速度喷射出去。由牛顿第三定律可知，高速喷射的离子将产生反向推力，从而推动卫星前进。

当发动机喷射离子时，还需要一个能够喷射电子的装置（中和器）用以中和喷射出去的离子，否则会使航天器带电，危及航天器的安全。

中国科学院力学研究所微型离子发动机产品研发团队历经五年的时间，对射频离子发动机系统的工作原理进行了深入的研究，从最初的射频电路阻抗匹配、射频感应耦合放电，到最终射频离子发动机可以稳定工作，部件的每一个细节都经过仔细地推敲。

2015年，团队研发的第一套射频离子发动机——RIT-4点火成功，之后，团队根据不同的推力范围需求，开展了射频离子发动机系列样机的研发，分别研制了RIT-2、RIT-2.5和RIT-5。

研发团队凭借多年对射频离子发动机的研究基础和宝贵的航天工程经验，在2018年8月承担了"太极一号"卫星射频离子微推进系统的研制重任，限时一年。

常规航天任务一般是三到五年，甚至更长，一年的时间要将尚不成熟的原理样机直接做到满足航天标准的飞行样机，这对人员有限的研发团队而言是一项非常艰巨的任务。但为了中国航天事业的发展，空间引力波探测国家重大专项的顺利实施，中国科学院力学研究所微重力重点实验室康琦主任毅然决然地接下了这项几乎不可能完成的任务。

对于整个射频离子发动机系统而言，除了射频离子发动机头部以外，实际还需要一系列的配套"装配"，包括：电子学单机（中国科学院国家空间科学中心研制）、场发射中和器（清华大学研制）、微流量控制单机（507所和深圳市绿航星际太空 科技 研究院研制）。五家单位团队协作，在研发前期，各自根据设计指标要求专攻技术难点，以最快的速度完成方案可行性验证。

中科院力学所研发团队根据已有的研究基础，在2019年3月率先完成了微型射频离子发动机（μRIT-1）飞行产品的研制，并顺利通过了空间环境模拟试验。

发动机样机研制出来后，它的推力到底是多大，计算出来的推力是否准确，这些都是亟需验证的问题，航天工程任务是要靠精确的实验数据来说话的。因此，研发团队在射频离子微推进系统产品紧张研制的同时，紧急筹备发动机后续性能测试方案，自主设计了一套亚微牛级推力测量设备，实现了推力器快、稳、准的安装与调试，极大限度地缩短了射频离子发动机性能测试周期。

电子学单机是射频离子发动机系统的核心之一，整个推进系统的供电、控制以及数据存储均要依靠它来完成。 中国科学院国家空间科学中心先后一共有6名专业人员参与到电子学单机的研制工作。这个项目突破了他们以往的研制速度，经历了无数个通宵达旦的艰苦工作，在最后一刻解决了所有问题，交付了通过地面验证试验的合格产品。

与射频离子微推力器（μRIT-1）配合使用的中和器是清华大学研制的"碳纳米管中和器" 。这次合作是清华大学清华-富士康纳米 科技 中心第一次承担航天任务，更是将碳纳米管场发射技术第一次应用在航天领域中。五位清华大学的老师在没有航天任务经验的情况下，一步一步地摸索着前进，从最基本的材料选取、结构设计、加工工艺到最终的测试方案，他们夜以继日地发现问题和解决问题，最终按时交付了他们的"首创"。

最后一个就是射频离子发动机系统必不可少的气体控制器——微流量控制单机。 之所以称为"微流量控制单元"，是因微型离子发动机工作时所需的工质气体非常少，0.08 mL的气体可以使推力器工作1分钟以上，相当于一个人深呼吸吹出的气体量（约3500 mL）可使推力器连续工作约一个月。

深圳市绿航星际太空 科技 研究院四名专业技术人员同样是从未研制过气体流量这么小且精度要求非常高的微流量控制器。为了保证发动机能够正常稳定地工作，技术人员从方案设计、加工工艺到气路封装，一路披荆斩棘，在团队协作下，解决了系列技术问题。微流量控制单元是除发动机外，第一个交付的产品。

研发团队在不到十个月的时间里，夜以继日、过五关斩六将，终将合格的射频离子发动机产品按时交付给卫星系统。

目前，射频离子微推进系统在轨工作正常，并顺利完成功能和性能测试，任务取得圆满成功，这也是国际首次在轨验证微型射频离子发动机技术！

爱因斯坦的引力波，我们是如何发现它的？如何探测这些引力波？

爱因斯坦在1916年发表的一篇论文中做出了一个决定，彻底改变了我们对引力的理解。近100年来，爱因斯坦理论的一个关键预测一直没有被直接发现。

在1916年6月预言引力波的论文中，计算了引力波引起的能量损失后，爱因斯坦写道：“由于电子在原子内部的运动，原子将不仅辐射电磁能，还要辐射引力能，即使很小。

引力波物理学是理解宇宙多个方面的关键。其中，引力波实验有可能:

引力波科学的科学回归无疑是巨大的（尽管应该提到所需的投资也很高，个别实验耗资数亿美元）。要了解这种引力波科学，我们必须首先了解引力波是如何产生和探测到的。为此，我们需要理解爱因斯坦的引力理论 - 广义相对论。

有些与直觉相反，广义相对论断言引力不是一种力。相反，它是物体在曲面几何中任意两点之间运动的最短距离的结果。这不是空间的三维几何，而是四维时空的几何(即一个时间加三个空间维度)。

有一个很好比喻，保龄球和蹦床上的弹珠。想象一下把保龄球放在蹦床的表面。它的作用是使蹦床在球周围的一个区域弯曲，类似于太阳等大型物体周围时空的弯曲。

如果我们忽略摩擦力，我们可以想象在蹦床表面滚动一个弹珠，使它绕着保龄球旋转。两个球之间没有作用力——保龄球使蹦床的表面弯曲，而弹珠只是沿着这个曲面的测地线滚动。

类似地，在太阳和地球之间没有“力”起作用——太阳弯曲时空，地球沿着这个弯曲时空的测地线运行。

当我们的小弹珠在蹦床表面滚动时，就像鸭子在水中游动一样，蹦床织物中产生了非常小的涟漪，并从蹦床上移开。

类似地，当任何质量在空间中运动时，时空结构中都会产生涟漪，以光速远离运动物体。这些波纹就是引力波。

对引力波的探测是间接的，因为物理学家只是通过排除其他选项来推断引力波的存在。自20世纪60年代以来，物理学家们一直试图建造引力波探测器，直接探测引力波的存在。

要了解直接探测的方法，我们必须首先了解引力波经过时对粒子的影响。

考虑将一圈粒子放置在一个完美的圆圈中。引力波通过将使这些粒子变形为椭圆形，振荡回一个圆形，然后进入另一个垂直于第一个椭圆形的椭圆形。当引力波穿过我们的测试粒子环时，这种模式将继续。

这种测试质量的运动提出了一种明显的检测方法——迈克尔逊干涉法。干涉测量的基本原理是将一束激光分成两束，每束以直角射向另一束。每一束光都经过一定的距离，击中一面镜子，回到它们分裂的原始点，重新组合，再次形成一束光。

如果不存在引力波，则每个光束将行进相同的距离，并且组合光束将具有由光的重新组合引起的特定干涉图案。但是当引力波穿过系统时，每个臂的相对长度将来回振荡，并且所产生的干涉图案将显示该运动。听起来很容易......

探测引力波的全部困难在于引力波的大小。

我们的蹦床类比也是有用的。一个巨大的保龄球沿着蹦床表面滚动，会产生比我们原来弹珠更大的波纹。同样，与超大质量黑洞相比，地球在太空中的运动产生的涟漪相对较小。

因此，超新星或两个黑洞的合并等奇异事件为大引力波的发射提供了最佳的候选者。所谓“大”引力波，对我们探测还是比较小引力波!最强的波改变粒子位置的幅度不超过1000,000,000,000,000,000,000分之一。

这就是测量这些波的困难之处。为了成功地探测到宇宙中一些最大的引力波，我们需要测量距离的变化，其数量级为1000,000,000,000,000,000,000,000分之一。这个数字解释了为什么用了近100年的时间才探测到引力波!

一个由迈克尔逊干涉仪组成的全球网络已经建立起来，可以直接探测到这些微小的引力波。激光干涉仪引力波观测站(LIGO)位于美国，由三个探测器组成。在意大利比萨附近有室女座探测器，在德国汉诺威附近有GEO600探测器。

2016年，中科院启动了战略性先导 科技 专项（B类）“引力波的多波段测量”，其中包括了空间引力波计划。空间“太极计划”也相继走进大众视野，计划采用高精度星间激光干涉测距技术和无拖曳航天技术，瞄准中低频段引力波进行探测和研究，我们国家对引力波的探测还有好长的路要走 “加油祖国”

“太极计划”正在实施背景型号地面研究、双星试验性及发射太极三星的三步走战略。“预计在2020年底完成第一步走，2021年至2025年间以‘太极探测星’项目完成关键技术空间验证，2025年至2033年开展第三步走，实现三星探测计划。”

目前，“太极计划”已初步掌握了超稳干涉仪、高精度相位计、高精度角位移敏感器、低噪探测器和超稳望远镜等关键“当前，在学术与技术竞争严酷的环境中，中国空间引力波探测计划均为预研性计划，应尽快从国家层面整合实力、协调各方的优势力量联合攻关。”核心技术及制作。 “中国 科技 界有决心在引力波的空间检验方面作出重大贡献。”

2分钟解释：什么是引力波？为什么对引力波如此的难以捉摸？

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全球寻找“引力波”？2020中科院射频离子引擎获得重大突破

中国科学院在中国酒泉卫星发射中心发射了一颗名为“太极一号”的卫星，这是中国第一颗空间引力波探测技术实验卫星，主要任务是实现关键技术验证，为实现空间引力波检测奠定基础。

寻找引力波犹如大海捞针一样困难

一个世纪前，爱因斯坦根据广义相对论预测了引力波的存在。但是，直到2015年，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）才在地面上检测到引力波信号。三位美国科学家也获得了2017年诺贝尔物理学奖。

国际上也普遍认为，只要有人能够探测到太空中的引力波并获得更多频段的引力波信号，他们还可以获得诺贝尔奖。

为什么检测引力波这么困难？引力波是由剧烈运动以及物质和能量的变化引起的时空波纹，它们在传播过程中挤压或拉伸时空，就像水面上的涟漪一样，以光速向外传播。太空中的引力波信号非常微弱，目前最好的方法是使用光学装置，通过检测相隔数百万公里的两个自由漂浮物体之间的距离变化来捕获引力波。

运用高速喷射的离子作为卫星发射动力

顾名思义，射频离子引擎依赖于吸收射频能量以??维持其等离子体能自我维持放电并产生推力的装置。

等离子体是我们所熟悉的自然界中物质的第四种状态，在生活中到处都可以看到它，例如荧光灯、霓虹灯、氙气灯和闪电。是一个离子化的“气体”，由离子、电子和离子化的中性粒子组成，整体是电中性的，但具有导电特性。

射频离子引擎将通过高压电场吸收并加速等离子体中带正电的离子，并以每秒几十公里的速度将其排出。根据牛顿第三定律，离子的高速喷射将产生反向推力，从而将卫星向前推动。当发动机喷射离子时，还需要一个能够喷射电子的装置（中和器）来中和喷射的离子，否则航天器将带电并危及航天器的安全。

中科院相关专家多次建立奇功

中国科学院力学研究所的微离子发动机产品研发团队，对射频离子发动机系统的工作原理进行了5年的深入研究，电路阻抗匹配、RF感应耦合放电到最终的RF离子引擎都可以稳定工作，已经仔细考虑了组件的每个细节。

2015年，该团队研发的第一套射频离子发动机RIT-4被成功点燃，此后，研究小组根据不同的推力范围要求开发了一系列射频离子发动机原型，并分别开发了RIT-2，RIT-2.5和RIT-5。

依靠多年的RF离子发动机研究基础和宝贵的航空工程经验，研发团队于2018年8月承担了开发“太极一号”卫星RF离子微推进系统的重要任务，并有时间限制一年。

传统的太空飞行任务通常需要三到五年，甚至更长的时间，直接完成满足不成熟原型的航空航天标准的飞行原型需要一年的时间，对于人员有限的研发团队而言，这是一项非常艰巨的任务。

但是，对于中国航空航天工业的发展以及国家重大的引力波探测特殊项目的顺利实施，中国科学院力学研究所微重力重点实验室坚决接受了这个几乎不可能完成的任务。

引力波的那些事：中国的引力波探测还有意义吗？

美国激光干涉引力波天文台LIGO团队发现引力波，堪称是21世纪物理学最重大的发现。它的出现，甚至比2012年欧洲核子中心CERN发现希格斯玻色子更加激动人心。在物理学各大领域都被量子理论占据的今天，它成了经典物理最后的荣耀与丰碑。

引力波探测：几十年上下求索

自从广义相对论预言引力波之后不久，人们便开始追寻引力波。到今天，已经度过了几十个春秋。发现引力波有什么意义呢？大致有以下三方面。

首先，引力波探测证实了爱因斯坦以及合作者的预言，再一次验证了广义相对论。

其次，就像电磁波和放射性现象一样，引力波是人类了解这个宇宙的新窗口。引力波的发现标志着人类进入了一个新的时代，开创了人类了解世界的新方式。（1887年赫兹发现电磁波时，谁能想象130年后，电磁波已经走进每个家庭。1896年贝克勒尔发现放射线的时候，谁能想到现在每一家医院都能留下核物理的足迹。）

再次，引力波可以提供宇宙发展演化的信息，有助于我们进一步了解宇宙（诸位还记得2014年BICEP卫星宣称发现了原初引力波吗？后来确定是来源于星际尘埃的干扰。原初引力波可以反映宇宙早期的性质）。

20世纪60年代，美国马里兰大学物理学家韦伯曾利用长2米、质量为1吨的铝筒进行引力波探测，1968年甚至宣称发现了引力波，但同行们却无法重复他的结论。

后来人们利用迈克尔逊-莫雷干涉原理来探测引力波。迈克尔逊-莫雷干涉仪是利用两束激光进行干涉的装置，当两束光的路程不一致时，便会产生干涉现象。通过观察干涉条纹，便可进行精确测距。历史上，迈克尔逊和莫雷曾经利用这样的仪器发现了真空中的光速不变。

迈克尔逊-莫雷干涉仪

这次LIGO使用的堪称豪华版迈克尔逊-莫雷干涉仪，只不过干涉臂换成了4km长的“跑道”。引力波是时空的涟漪。当有引力波传来时，弯曲的时空会使得4km长的跑道发生“形变”（拉长或压缩）。利用激光束的干涉，可以精确地测量4km“跑道”上由引力波引起的长度变化。因为引力波所产生的“形变”效果太微弱了，在10的负20次方量级，探测它们实在是难上加难。

LIGO引力波探测

100多年前，迈克尔逊—莫雷干涉仪的出现验证了光速不变；100多年后，LIGO团队用豪华版迈克尔逊-莫雷干涉仪观测到了广义相对论中的引力波。迈克尔逊-莫雷干涉仪为爱因斯坦厥功甚伟，爱因斯坦看到了今天这一幕，必会在阴间大摆筵席，与迈克尔逊和莫雷一醉方休。可见，每一个成功的理论物理学家背后，都有一批成功的实验物理学家。LIGO之后，还有欧洲的LISA（激光干涉空间天线），它是一个规划中的引力波探测项目，利用三颗卫星在天空中排成个三角形，卫星上高精度的激光器彼此发射激光来进行干涉。90年代欧洲人捉摸着，六十年代韦伯用铝筒和铝棒没有能发现引力波，是因为精度不够；LIGO用4km长的“干涉臂”，还没有找到引力波，那必然是距离还不够大。所以，我们用相隔成千上万公里的卫星，作为干涉臂，这下距离总够了吧。

图为LISA引力波探测计划

中国引力波探测，是机会还是大坑？

自从二战以后，各发达国家竞相提出引力波探测计划，而这方面，中国长期以来都是空白，这是一个巨大的遗憾。

很多人不看好中国引力波探测，认为引力波已经被LIGO团队发现了，中国再去搞什么天琴计划，纯属多此一举，既得不了诺贝尔奖，又没有什么实际用途，只能为他人作嫁衣裳。

这里边牵扯两个问题。其一，LIGO发现引力波是否意味着引力波领域的主要工作已经做完，只剩下残羹冷炙，再无研究价值，更无获得诺贝尔而奖的希望？其二，引力波探测技术是否是空中楼阁，毫无应用价值？

引力波按频率可以分为高频、中频和低频三种，这次LIGO发现的是中频部分的引力波。三种引力波的来源、性质、探测手段并不完全相同。这些性质上的差别决定了高频、中频和低频引力波的应用方向定会有很大差别（如果将来有一天引力波技术能走向应用）。2014年，BICEP卫星宣称发现的是宇宙大爆炸早期的原初引力波，而这次LIGO发现的是两黑洞融合产生的引力波，两者又不相同。可见，引力波不是单一的。并不表明LIGO发现了引力波，这个领域就尘埃落定了，就再也没有其他人的事情了。君不见，电磁波产生了多少个诺贝尔奖，放射性产生了多少个诺贝尔奖，加速器和中微子产生了多少个诺贝尔奖，超导又产生了多少个诺贝尔奖。引力波是个巨大的宝库，催生出多少诺贝尔奖，还未可知。

退一步说，即便LIGO之后，真的没有可能得引力波的诺贝尔奖了，中国探测引力波是否毫无意义，我看也未必。在这里我们先不谈引力波本身的应用价值（因为引力波本身距离实际应用还会有很长一段距离），只说说空间引力波探测技术在其它领域的应用价值。像天琴计划这样的太空探测，需要对几颗卫星间的距离进行精确测量，也需要对激光束进行严格校准，还需要排除太空中各种背景的影响。它不仅会满足引力波这样的纯科学探索，对于空间测距以及激光技术也是巨大的促进。

从引力波探测看大科学装置实验

一般来说，在科学研究中，别人做过的点子，你再做就没什么意思了。但大科学装置存在例外情况，因为大学科装置需要经验，需要积累，需要传承。一方面是科学上的，一方面是配套的工程技术上的。没有小工程，没有前期的工程基础，很难在短时间内建起像样的大工程。因此，没有前期基础，仅凭某天的一个点子，一个机遇，就指望让一个大装置拔地而起，是不现实的。即便建起来，估计事故也不会少。因此，对于这类涉及大科学装置的实验，能独树一帜固然很好，但也不是所有仿照别人的项目都没有价值。

任何大科学装置从投资到建设，从维护到升级，从运行到分析，从采集第一个数据到发表最后的结果，都经过了几年甚至几十年的峥嵘岁月。人们往往只能看到它们的成功，却看不到它们背后的艰辛。

就比如LIGO团队，在他们从1991年启动，经过了升级和再升级之后，才有了今天的发现。里边复杂的探测技术，各种精密仪器，不是一朝一夕就能完成的。而且大多数时间里，LIGO都一无所获，扮演着失败者的角色。以至于像我这样的外缘人士，前几年已不对LIGO抱有什么希望了，一心期望着LISA早日出来救市。

从九十年代至今的二十余年里，LIGO团队的花费不下十亿美金。在LIGO团队未成功的那些年代里，想必也曾饱受争议，想必也曾受到这样的讽刺：他们花了纳税人这么多钱，什么也没探测到，真是一群废物！

在2016年之前，对于引力波花落谁家，是美国的LIGO捷足先登，还是欧洲的LISA夺得桂冠，谁也无从知道。

科学的发现颇有些戏剧性，一人得道，鸡犬升天。如今，LIGO抢了头功，成为闻名天下的明星，尽可指点江山，激昂文字。而LISA出师未捷，便先闻噩耗，此刻LISA团队的研究者的心情可以用本山大叔小品中的台词来形容——我的心是哇凉哇凉的呀！

但决并非意味着LISA失去了存在的意义。如果说LIGO代表了中频引力波探测的尖端，LISA则代表了低频引力波探测的尖端，而且，LISA也有着一些LIGO没有的技术。它们一个地面，一个太空一个中频，一个低频，遥相呼应，熠熠生辉。未来，在浩淼的天空中，相信LISA终会有一席之地。

假如LISA和其它引力波探测项目因此自暴自弃，不再前进，引力波领域就会被美国做大做强。我想，同样的道理也适合于中国。中国的太空引力波探测，本来就比LISA起步晚，再畏缩不前，拿什么去和未来的LISA争呢？

出品：科普中国

制作：小曲

监制：中国科学院计算机网络信息中心

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