各位好，这个“太极计划”是我目前正在从事的探测引力波的重大专项。不同于地基的引力波探测器，我们这座太空中的引力波探测器尺寸巨大，尺度可达300万公里，接近地月距离的8倍，可谓是人类研制的最大探测器。
2015年，人类首次直接探测到双黑洞合并产生的引力波，开启了引力波天文学时代。经过这些年的科普，很多人应该对引力波有了一个基本的了解。为了照顾更多的朋友，我还是首先介绍一下有关引力波的基本概念。
我打个比方，如果把宇宙想象成一张蹦床，星星是放在上面的保龄球。球越重，床陷得越深。当两个黑洞突然撞到一起，就像猛地晃动蹦床，一圈圈“时空涟漪”会以光速向外跑——这就是引力波。
2015年美国的LIGO引力波天文台第一次“听见”恒星级黑洞发出的高频引力波，可以看做是“女高音”。基于这个研究，三位美国科学家拿到了2017年诺贝尔物理学奖。但宇宙还有大量的低频引力波，它们犹如“男低音”和“超低音”，这种频率的引力波还没被收录，而“太极计划”大科学就是中国专门去录低频段引力波的天线。
更酷的是，引力波真的像声音：频率高的像“女高音”，频率低的像“男低音”。只要我们能造出足够灵敏的“麦克风”，就能把宇宙这部“交响乐”完整录下来。
电磁波只能照亮5%的宇宙，95%的宇宙要靠听
过去人类只用“看”——望远镜收集可见光、无线电、X射线等电磁波。但这些只能照亮不到5%的宇宙，剩下95%的暗物质、暗能量像隐身衣，看不见。引力波因为是“时空的波纹”，可以穿透黑暗，帮我们拍到宇宙隐藏的剧情。
这相当于电磁波给宇宙拍了张照片，引力波要给宇宙录段音。只有把“看”和“听”结合起来，我们才能拼出宇宙真正的高清全景图。
宇宙里的引力波也分很多频段
LIGO只能听“高音”，更低沉的“男低音”必须到太空去，因为地面有地震、人声、卡车干扰，根本听不清。换句话说，地面探测器像在学校操场听音乐会，太空探测器就像把麦克风直接放到舞台中央。
“太极计划”的重要科学目标
“太极计划”有很多很重要的科学目标，包括但不限于以下几个方面：
1、给黑洞做“体检”：称体重（质量）、量体温（自旋）、发地图（分布）。
2.、追踪“种子”怎么长成“大树”：中等质量（几百～十万倍太阳）种子黑洞是谁生的？暗物质能不能当“种子”？小种子如何快速吃成超级大胖子？
3、找宇宙“第一代恒星”：第一代恒星质量是太阳的几十到几百倍，活得快死得早，太极要抓它们留下的“遗迹”。
4、给“大爆炸回声”设上限：如果宇宙暴胀真的发生过，会留下原初引力波背景，太极将给出第一份“音量表”。
5、测“引力波的极化”：光波有偏振，引力波也有。不同极化模式对应不同引力理论，太极将提供“一票否决”级别的实测数据，帮爱因斯坦或他的挑战者打分。
三颗卫星编队飞行，组成300万公里长的“引力波天线”
编队：2033年左右，一枚火箭一次把三颗卫星送进同一轨道，绕太阳飞，整体落后地球约20°，距离地球5000万多公里——既躲开了地球的引力噪声，又能和地面天线愉快通信。
臂长：每两颗卫星间隔300万公里，正好能“共振”0.1毫赫兹–1赫兹的引力波，相当于给“男低音”量身定做的吉他弦。
激光：每颗卫星伸出两套几十厘米口径的望远镜，互相发射红外激光，形成三架巨大的“迈克尔逊干涉仪”。激光在300万公里的“真空管道”里往返，相位差能测到10皮米——相当于量出北京到上海之间多出一根头发丝的粗细。
测试质量：卫星中心悬浮着几厘米大小合金立方体，它们才是真正的“传感器”。引力波一来，立方体之间的距离微微抖动，卫星外壳却被“无拖曳”系统牢牢护住，不让任何外力碰它们。
要想保持三颗卫星相对位置始终不变，可不是一件容易的事情，这需要传感器和推进器的精密配合。
我们利用惯性传感器实时监测太阳风、宇宙射线造成的“推力”，精度到0.1飞牛。我们使用微推进器阵列（冷气、离子或场致发射等多种微型发动机）随时反向喷气，把卫星“推”回理想轨道，让测试质量永远处于“自由落体”状态。
除了利用微推进系统实时调节之外，温控也是一个非常重要的方面。卫星外壳±0.000001℃的恒温，避免热胀冷缩假信号——相当于把一间教室的温度波动控制在一根头发丝直径级别。
中欧的竞争与合作
除了咱们的太极计划外，欧洲也在推进他们的引力波探测计划“LISA"。LISA的尺度为250万公里，比咱们的太极稍短一些。两个探测器虽然存在竞争关系，但更具有强大的协同互补潜力。
两个探测器虽然探测的频段有重叠，但各自的灵敏度优势区间不同。联合观测能覆盖更宽的频率范围，从而捕捉到种类更丰富的引力波事件。
由于单个引力波探测器难以精确确定波源在天空中的方位。太极和LISA在日心轨道上构成一个巨大的空间干涉网络，通过三角测量法，能将引力波源的位置精度提高几个数量级，这就像我们用两只眼睛（两个探测器）才能立体定位类似。
太极和LISA如同两位技艺超群但各有所长的“太空捕手”。它们的合作将为我们打开一扇前所未有的窗口，让我们能更清晰、更精确地“聆听”来自宇宙最深处的时空涟漪，共同揭开黑洞、引力乃至宇宙起源和演化的奥秘。
值得一提的是，中国团队已突破“皮瓦级弱光锁相”“飞牛级微推”“亚皮米稳频”等关键技术，部分指标领先欧洲LISA Pathfinder一个数量级。
几十年的坚守：从“纸上谈兵”到“太空弹琴”
2008年：中科院空间科学与应用研究中心首次把“中国空间引力波探测”写进《空间科学2050路线图》。
2012年：成立“空间引力波探测工作组”，在eLISA联盟大会上提出300万公里臂长方案，欧洲人惊呼“太极参数”。
2016年：对外公布“太极计划”。
2019年：太极一号技术验证星升空，完成无拖曳、激光测距、惯性传感三大技术验证，已突破“皮瓦级弱光锁相”“飞牛级微推”“亚皮米稳频”等关键技术。
2025年：拓展引力波探测前沿、抢占空间引力波探测科技制高点，已经成为国家重大战略，也是国家空间科学中长期发展规划（2024--2050年）中五大主题之一“时空涟漪”的优先发展方向。
到2030年代：太极三星将发射上天，正式开麦“宇宙男低音”。
“太极计划”的技术溢出清单，可用于回馈社会
经常有人问，探测引力波除了研究宇宙奥秘外，还有什么用？不得不说，我们的太极计划，还真很有用。为了高精度的引力波探测，我们攻克了层层技术难关，这些新的技术完全可用于日经济建设领域。比如：皮瓦级弱光探测，可用于下一代北斗/深空激光通信 ；飞牛级微推，可用于高精卫星姿态控制、太空垃圾清理 ；亚皮米稳频，可用于光钟、下一代GNSS，能让定位误差从厘米到毫米；超稳望远镜，可用于对地观测、空间引力红移实验；大数据算法，可用于引力波实时处理平台，可转医疗信号分析、金融脉冲识别等。
21世纪以来，科学研究范式正从“小作坊”模式迈向“大科学”工程。在此浪潮中，中国一批科研重器蓬勃涌现：“中国天眼”聆听深空电磁波，“阿里计划”致力捕捉原初引力波，“高海拔宇宙线观测站”探测超高能粒子，“人造太阳”攻关聚变能源，“高能同步辐射光源”解析微观结构等等。这些大科学装置合力拓展人类认知边界。腾讯新闻推出《20问中国20大科学重器》大型特别策划，邀请20位科学家，给出从宇宙起源到未来能源的权威解读。
本文转载自《腾讯太空》微信公众号
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