说到引力波探测，可能很多朋友都听说过，引力波是指时空弯曲中的“涟漪”，它以波的形式从辐射源向外传播，并能以引力辐射的形式传输能量。爱因斯坦基于广义相对论在1916年就预言了引力波的存在。他认为时空的弯曲结构取决于物质的能量密度、动量密度在时空中的分布，而时空的弯曲结构又反过来决定物体的运动轨道。

2015年9月时，美国的激光干涉仪引力波观测站LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)首次探测到引力波，验证了爱因斯坦广义相对论的正确性，这被认为是人类基础科学研究领域中的重大科研成果，2017年，取得该成果的三位欧美科学家获得了诺贝尔物理学奖。

什么是“天琴计划”

然而，我国在引力波方面的研究还相对比较落后，但是我国一些科学家和科研单位也准备执行“天琴”计划，它就是一项引力波探测计划，由引力物理学家罗俊院士提出。

当前空间引力波探测计划主要可分为地球轨道方案和以 LISA (Laser Interferometer Space Antenna)为代表的绕日轨道方案。作为地球轨道方案，天琴初步选取 105 km 半径的圆轨道，三颗无拖曳控制卫星构成近似等边三角形星座，星座平面与黄道面近似垂直，且正对参考波源双白矮星系统RX J0806. 3+1527。而X J0806.3+1527是一个周期仅有5.4分钟的超紧凑双白矮星系统，它产生的引力波将是天琴一个重要探测对象。我们选择天琴三颗卫星的轨道面，使它正对RX J0806.3+1527，从而获得最大的响应。“与LISA相比，天琴对相对高频信号（0.1赫兹）观测更加敏感，由于波源定位能力随频率增大而提高，天琴在对高频引力波波源的定位能力方面具有明显的优势。

图1 天琴计划示意图

天琴计划是要建成一个在太空中进行引力波探测的空间引力波天文台。当宇宙深空的引力波传过来时，会在不同方向造成空间的拉长或者压缩，体现在激光的波动和距离变化上，就能探测到引力波的存在、来源、强弱等情况了。空间引力波天文台的三颗卫星如同三根放在太空的“琴弦”，将帮助我们听见宇宙中奏鸣的“引力波之音”。

“0123”技术路线图

为此，天琴团队提出了“0123”技术路线图，分阶段推动关键技术实现。而“0123”的名字正是来源于以下各个步骤的项目中所需的卫星数量。

图2 天琴卫星概念图

第“0”步：开展月球激光测距实验，包括研制新一代激光测距角反射器和新建或升级激光测距台站，获得对天琴卫星的高精度测距能力，为天琴卫星的高精度定轨提供技术支撑。第“1”步：发射高精度空间惯性基准技术试验卫星，对高精度惯性传感、微牛顿级推进器、高精度无拖曳控制等核心技术进行在轨验证。第“2”步：发射星间激光干涉测量技术试验双星，对星间激光干涉测量技术进行在轨验证。第“3”步：发射天琴第三星，进行引力波的空间探测。

空间引力波探测带来了前所未有的技术挑战。它首先要求三颗卫星非常精确的进入一个预定轨道，之后卫星的姿态控制要求到0.05°级别，卫星核心区域的温度涨落小到10-6度级别，激光测距的精度要求做到10-12米级别，扰动抑制要求做到地球表面重力加速度的10-16倍。

图3 天琴计划激光测距台站

月球激光测距

上世纪60年代末70年代初，美国和苏联在月面上部署了5个阵列式激光反射器，随后世界上多个台站接力开展了40多年的月球激光测距工作。月球激光测距虽然已经有很长的历史，但是在技术上挑战并没有随着时间的流逝而降低，目前国际上能够常规开展月球激光测距工作的台站数量仍然十分有限。我国也长期以来一直缺乏月球激光测距的能力。

地月距离在38万公里左右，地月激光测距基本原理就是从地面测距台站的望远镜上，将高度同向性脉冲激光束射向放置在月球表面的反射镜，反射镜发射该激光信号再通过地面台站的望远镜接收，通过发送、接收时间差计算出地月之间的距离，地月激光测距是目前人类历史上最远距离的激光测距实验，也是目前地月距离测量精度最高的技术手段。

图4 美国阿波罗11号放置在月球上的反射阵列

  2018年5月21日，我国的的425px孔径新一代激光测距角反射器搭载嫦娥四号中继卫星“鹊桥”成功发射。2019年6月8日以来，“天琴计划”激光测距台站陆续成功测得了月球表面上五组反射镜的回波信号，测出国内最准的地月距离，且精度达到国际先进水平，这意味着中国科学家攻克了地月激光测距技术。至此，中国成为世界上第三个成功测得全部五个反射镜的国家。未来，激光测距技术将为未来发射的天琴卫星提供厘米级精度的精确定位，使天琴卫星能够精准进入指定轨道，这也是基于地球轨道的“天琴计划”进行空间引力波探测的优势之一。

在未来，作为基础研究的“天琴计划”将会为物理和天文学研究带来新的实验证据，将可能打破我们对传统理论的认识，带来新的知识和现象。也许，得益于天琴计划的缘故，在未来的某一天，人类通过对引力的应用，达到光速的宇宙航行，并且能够弯曲宇宙空间，“穿越”到平行世界。

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