“太极计划”：聆听时空泛起的涟漪

平静的湖面，会因突然掷入一个石子而泛起涟漪。同样，宇宙中发生大质量天体相撞等天文事件时，也会在时空中形成涟漪，并以波的形式向宇宙各个方向传播，这就是引力波。水面上的涟漪我们能够直接看到，但时空中的涟漪，我们怎么感受到它的存在呢？

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初识引力波
引力波是时空弯曲中的涟漪，这种波以引力辐射的形式传输能量。换句话说，引力波是物质和能量的剧烈运动和变化所产生的一种物质波。
1916年，著名科学家爱因斯坦建立了广义相对论，提出了时空涟漪的概念，他说；引力波以光速传播着。但此时，引力波的存在还只是一个预言。
引力波被看作为天体发出的声音，能够使得人类可探测到基于电磁波无法观测到的宇观尺度和更多的天体现象。但人类如何感知它的存在呢？它不像水中涟漪可以看得见、摸得到啊！
探测引力波的确是件十分困难的任务。所以在爱因斯坦预言百年之后，科学家才证实了它的存在。
2016年，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）在地面探测到了双中子星合并产生的引力波信号，全世界的科学家都为这个发现而兴奋无比。据推算，本次宣布的引力波直接探测，其信号来自距离地球13亿光年的双黑洞的合并事件，持续时间约200毫秒，振荡频率30--150赫兹。
2017年，诺贝尔物理学奖被颁给了三位美国科学家——雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩，以表彰他们对LIGO探测器和引力波观测的决定性贡献。（我们曾对这个迅速获得诺贝尔奖的发现做过详细的科普）

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用光"捕捉"引力波
看来，我们要想"聆听"到引力波的涟漪，就要靠激光，那么激光干涉引力波天文台是如何实现这一点的呢？
引力波激光干涉仪的工作原理和常见的迈克尔逊激光干涉仪是一样的，它是光学干涉仪中最常见的一种。其工作原理如下图所示：一束入射光从光源S处发出后在分束板G被分为两束，其中一束是透射光，经过补偿镜C后被平面镜M2反射回来，另一束是反射光，被平面镜M1反射回来，两束光经透镜L聚焦后会到达光检测器P处。
当两束光的光程差不同时（例如M2的位置变化了d），便会形成干涉图样，而且光程差d不同时干涉图样是不同的。这样，通过干涉中两束光的干涉图样可以测得对应光程差d大小。

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在引力波激光干涉仪中，引起光程差变化的原因是时空涟漪造成的光路长度的变化。因为当引力波经过时会挤压或拉伸附近的时空，从而引起空间中不同位置的点之间的光程变化。通过分析这个光程差变化所引起的干涉信号的相位变化，人们就可以反演得知引起时空涟漪的天体物理现象。
由于激光干涉仪有着测量频段宽、灵敏度高的优势，因此很快成为引力波检测的主流探测手段。

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与引力波打"太极"
和美国建设在地面上的激光干涉引力波天文台LIGO不同，中科院力学所和兄弟研究团队一起开始了空间引力波探测的"太极计划" 。
因为不同频率的引力波对应于不同的天体物理过程，地面装置LIGO只能观测到对应于致密双星的高频引力波(>10赫兹) 。力学所作为光学载荷总体单位，研发的引力波探测星组将在日心系中运行，由位于边长为300万公里的等边三角形顶点处的三颗卫星组成，进行中低频波段（1x10-4-1.0赫兹）引力波的直接探测。