“太极计划”：聆听时空泛起的涟漪( 二 )

我国的"太极计划"将分为三步走。 2019年8月31日， "太极一号"实验卫星成功发射，从事关键技术的验证，从而迈出了太极计划的第一步。第二步的两颗卫星预计在2024年升空。到2033年，将进行第三步的部署：一次发射三颗卫星，形成完整的星组，开展引力波的探测。

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"太极计划"的主要科学目标是：观测双致密星系统以及极大质量比双黑洞天体并合时产生的引力波辐射。超大黑洞并合和紧凑双星绕转等天体物理现象的代表性引力波有着不同的波形，引力波探测可以为人们理解宇宙起源、形成和演化提供科学依据。

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高精度的空间激光干涉仪是实现空间引力波探测任务的关键技术。这个超精密的系统需要在百万公里量级的测距上，位移测量精度要求达到皮米量级（10-12米， 1皮米相当于1米的一万亿分之一），发射"太极一号"的一个任务是验证太极的四大核心技术：激光干涉仪，惯性传感器，无拖曳控制技术，超稳超静卫星平台。
其中，惯性传感器、无拖曳控制技术和超稳超静卫星平台等，都是为了确保激光干涉仪的正常运行。例如，所谓的"无拖曳技术"就是为了消除空间环境中太阳风、太阳辐射宇宙射线等外部环境的扰动，利用微推进器产生推力进行实时抵消，使得卫星平台成为一个高精度光学平台。
2020年的9月20日， "太极一号"顺利完成第一阶段在轨测试任务。激光干涉仪位移测量精度达到百皮米量级，实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量。

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研制空间干涉仪要比研制地面干涉仪困难得多。考虑到太空中运行的特点，系统的冗余度加大，所以配置了三条激光链路。
此外，卫星在太空中运行时会受到太阳风等非保守力的影响，因而不能作为惯性基准。空间干涉仪采用保护在卫星内的测试质量（只受惯性力）作惯性基准。在实际的探测时，每条激光链路中，要应用三套测量系统来确定干涉臂两端间的距离变化：
一是测量卫星与其内部测试质量之间的距离变化；
二是测量干涉臂两端两颗卫星之间的距离变化；
三是测量本地卫星平台的稳定性及本底噪声。

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从本质上讲，这三个系统都是利用迈克尔逊激光干涉原理，只不过系统结构不太一样。例如，测量两颗卫星间距离的系统中就增加了一台望远镜，用以把远端的光束进行缩束后，再与本地光学平台的光束进行干涉。
由于卫星间的相对运动会产生多普勒频移，就是说物体辐射的波长和频率会因为波源和观测者的相对运动而产生变化。因此不同于地面探测器，空间引力波探测采用激光外差干涉，即两束光的频率不同，从探测器中提取相位信息。

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为了在太空中探测到引力波，在300万公里长的星间激光干涉链路上，距离变化测量的精度要控制在皮米（pm）量级。但在空间环境中，卫星姿态会不可避免地发生抖动，这种抖动会引起额外的光程噪声，从而影响激光干涉仪的测量精度。
近年来力学所引力波实验中心精密测量团队为了减轻星间抖动光程噪声，开展了大量的理论分析和地面模拟实验工作，取得了很好的进展，并得到了国际同行的关注。