空间引力波探测综述与拟解决的科学问题

空间引力波探测将为人类探索宇宙打开中低频段（0.1 m Hz～1 Hz）引力波观测的新窗口，这个频段的引力波事件被认为具有更重要的天文学、宇宙学以及物理学意义。其典型的波源包括超大和中等质量黑洞双星的并合、极端和中等质量比黑洞双星的绕转、银河系内数以百万计的致密双星系统以及随机引力波背景等，为研究宇宙起源与演化、黑洞形成与结构、引力和时空本质、暗能量和暗物质属性等提供了全新的方法和手段。21世纪以来，欧美联合的LISA计划成功发射了技术验证卫星LISA探路者，目前LISA计划已进入工程实施阶段，中国太极计划和天琴计划也相继发射了技术实验卫星太极一号和天琴一号，标志着空间引力波探测进入了全新的发展阶段。本文主要概述近年来国内外发展态势，详细凝炼空间引力波探测与研究的科学目标和未来发展的重点领域，系统优化引力波天文学、引力波物理学以及引力波宇宙学等相关学科布局，重点阐述推进空间引力波探测与研究的重要意义和发展战略。     

引力波探测科学任务关键技术

介绍了引力波的基本概念,叙述了引力波产生的原因;调研了国内外地面和空间引力波探测的典型任务,并分析指出了地面与空间引力波探测任务的区别;分析了空间引力波探测任务的相关关键技术,阐释了空间引力波探测未来的技术发展方向;指出引力波探测任务的实施,对惯性导航、地球科学、高精度卫星平台建设等应用领域也将发挥积极的作用,对提升我国空间科学和深空探测的技术水平具有重要意义。     

“引力波暴高能电磁对应体全天监测器”卫星任务概况

正天文学是一门观测驱动的科学,天文学的重大进展往往源自于新的观测发现。2015年9月14日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)首次直接探测到来自双黑洞并合的引力波信号,开辟了人类探索宇宙奥秘的新窗口,该发现完成了爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图,揭开了引力波天文学时代的序幕。引力波发现之后,伴随引力波产生的电磁辐射(即引力波电磁对应体)的探测研究变得更加重要和紧迫。鉴     

引力波之波

正2月11日,美国科研人员宣布利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月首次探测到引力波,从而印证了著名物理学家爱因斯坦100年前的预言。有人如此形象地解释"引力波":如同石头丢进水里产生的波纹一样,引力波被视为宇宙中的"时空涟漪"。此次探测到的引力波虽然极其微弱,但它引起的反响却极为强烈,掀起的绝非层层"涟漪",而是层层"巨浪"。     

宇宙诞生的瞬间究竟发生了什么？

2014年3月17日，新华社发出一条醒目的报道。称美国航空航天局设在南极的BICEP2望远镜找到了理论所预言的、宇宙大爆炸在宇宙微波背景上留下的痕迹（指引力波）。按现今流行的宇宙大爆炸理论，在宇宙刚出生的10弘秒发生了暴胀，到10“秒时，宇宙空间瞬间扩大了10拍倍。理论家说。在暴胀结束时必将产生引力波，这是一种空间的波纹，也是爱因斯坦广义相对论的一个重要预言。光子碰到引力波时将产生偏振。而BICEP2望远镜探测到的，正是这一偏振的图谱。     

来自宇宙的“蝈蝈声”——引力波

正北京时间2月11日23点30分,美国国家科学基金会在华盛顿特区国家媒体中心宣布:人类首次直接探测到了引力波!一时间,引力波疯狂刷屏朋友圈,甚至出现了一批"A股概念股"。该引力波(GW150914)是美国"激光干涉引力波天文台"(LIGO)两台孪生引力波探测器探测到的。两颗初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳的黑洞,合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞,亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间,经过13亿年的漫长旅行,于2015     

引力波探测中国都能做些什么?

正2月16日,中国科学家公布了正在筹划的一项新的空间探测引力波计划——太极计划。中国科学院院士、太极计划首席科学家胡文瑞介绍,太极计划的一种方案是在2030年前后发射三颗卫星组成引力波探测星组,用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测,目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射,以及其它的宇宙引力波辐射过程。他说,太极计划是一个中欧合作     

听，天体的声音

正假如一个年轻人,他觉得自己一生的目的就是要做革命性的发展的话,他应该去学习天文物理学。——杨振宁2019年8月14日,人类再次探测到引力波。对引力波的直接观测开始于4年前,截至今天的每一次发现,都是新颖的,都是令人兴奋的新闻,至少值得科学家兴奋。以前探测到的引力波要么来自两个黑洞的并合,要么来自两个中子星的并合,但2019年8月14日这次不一样,这次引力波来自一个黑洞和一个中子星的并合。这三种引力波事件,构成了一种新型的观测天文学——引力波天文学。     

宇宙探索七、引力波探秘

我们都知道电磁波，那是物体的电磁辐射，静止的电磁场辐射电磁波，加速运动的电荷也会辐射电磁波，加速运动的电荷也会辐射电磁波。我们也知道，物体都有引力，会产生引力场，爱因斯坦在发表广义相对论后不久，预言引力场具有波动性质的引力振荡，加速运动的质量（引力源）也辐射引力波。由于电磁波是由光子传递的，爱因斯坦假定引力波是由引力传递的。     

欧洲成功发射“激光干涉仪空间天线探路者”探测器

<正>1引言2015年12月3日,欧洲航天局(ESA)的"激光干涉仪空间天线探路者"(LISA Pathfinder,以下简称"探路者")探测器由"织女星"(Vega)运载火箭发射升空,该探测器将测试空间引力波探测所需的技术。引力波的概念源于爱因斯坦的广义相对论,其中一项重要的预言就是存在引力波。引力波是物质运动或物质体系的质量分布发生变化时产生的一种     

航天器内部磁场环境主动补偿方法

为解决空间引力波探测任务中航天器磁场对惯性传感器干扰的问题，研究在航天器复杂磁环境下利用主动测控方式获取小尺度均匀磁场环境的方法.在惯性传感器周围进行分布式磁场探测，并采用球谐函数法或多磁偶极子法实现对惯性传感器外部磁源的估计，计算惯性传感器所处位置的空间磁场及其梯度分布.利用线圈技术，对磁场及其梯度进行线性补偿.讨论分析传感器数量以及磁源布局方式等因素对最终补偿效果的影响.仿真试验结果表明，通过这一方法可将惯性传感器所在区域的磁场及其梯度降低1～2个数量级，降低引力波航天器平台的剩磁控制压力，为引力波探测提供满足要求的磁场环境.      

“抓捕”引力波“太极一号”在行动

正2019年8月,我国首颗空间引力波探测技术实验卫星——"太极一号"发射成功,今年1月8日,该星被正式交付中国科学院大学。这是我国第一次开展的空间引力波探测技术实验,也是登顶国际空间引力波探测领域的科研高峰、抢占科技制高点的重要抓手,对助力我国基础科学取得重大突破具有重要意义。     

中国空间引力波探测“太极计划”及“太极1号”在轨测试

我国空间引力波探测"太极计划"将打开中低频段(0.1 mHz～1 Hz)的引力波观测窗口,为人类研究宇宙起源与演化、黑洞起源与演化、引力本质、暗能量和暗物质等提供全新的方法和手段。由于空间引力波探测涉及一系列关键技术,太极计划提出了"单星""双星"和"三星"3步走的发展路线图。目前"单星"计划——"太极1号"发射成功,并圆满完成了第一阶段的在轨测试。本文将简要介绍空间引力波探测的科学价值、国内外背景和关键技术分解,重点对太极计划及其3步走发展规划进行分析,并提出后续工作的一些设想和发展建议。     

天琴奏响,空间引力波探测技术验证传来佳音——访天琴一号技术试验卫星总设计师张立华

正2019年12月20日,"天琴"引力波探测计划的首颗技术验证卫星——天琴一号成功发射,开启了它的空间引力波探测技术探索之旅,经过6个月的在轨测试和试验,目前已圆满完成了各项试验任务,实现了对未来空间引力波探测任务进行部分关键技术验证的任务目标。在轨试验任务成功后,天琴一号卫星总设计师张立华接受了本刊记者的专访。     

空间引力波探测惯性传感器关键技术与进展

空间引力波探测任务中的核心科学载荷之一是惯性传感器，旨在探测极其微弱的空间引力波的波纹变化。首先介绍了空间惯性传感器的探测机理和工作原理；然后从电容位移传感、静电反馈控制、地面评价3个方面介绍了惯性传感器设计的关键技术；并且对国内外惯性传感器的发展研究现状进行了梳理，可以看到惯性传感器关键指标为残余加速度噪声，国外在该指标上达到3×10^-15m/s²/Hz^1/2,国内与国外存在着3个量级的差距，因此开展高精度空间惯性传感器研究与设计具有重大战略意义和科学意义，是中国有望赶超世界科技前沿或领跑世界科技研究的重要方向之一。面向中国未来空间引力波探测任务中的惯性传感器需求，可以聚焦于惯性传感器控制体制策略、交流执行机参数优化、多自由度解耦控制技术、低噪声技术这四个方面的研究。     

空间引力波探测微牛电推进寿命评估研究现状

阐述了空间引力波探测任务中无拖曳控制技术对推进系统的特殊要求，介绍了目前主要的备选推进类型：冷气推进、离子电推进、会切型霍尔电推进、胶体电推进。针对面向空间引力波探测任务的电推进系统的寿命评估工作进行了任务分析，报告了目前微牛级电推进系统寿命试验研究现状，举例说明了目前主要应用的电推进装置寿命预测方式，包括半经验模型预测、数值模拟预测、基于数据驱动的预测以及系统层面的可靠性评估方法。对目前微牛级电推进系统的寿命评估研究现状进行总结，给出了发展思路。     

重力的长鞭：引力波问答

什么叫引力波?我们知道,物体都有引力,产生引力场。我们又知道,电磁场有电磁辐射,向外发射光子,形成光波、无线电波等。一个加速运动的电荷也会辐射电磁波。爱因斯坦在发表广义相对论以后不久,预言引力场具有波动性质的引力振荡,加速运动的质量(引力源)也辐射引力波。与电磁波具有能量一样,     

引力波：“天琴”启航待你奏鸣

正2019年12月20日,伴随着长征四号乙运载火箭的升空,我国"天琴"引力波探测计划首颗技术验证卫星——"天琴一号"技术试验卫星成功启航,开启了它的宇宙探索之旅。"天琴计划"是由中山大学校长、中国科学院院士罗俊提出,以中国为主导的国际空间引力波探测计划。"天琴     

空间激光干涉引力波探测器轨道修正方法

针对空间激光干涉引力波探测器轨道修正问题，提出一种基于虚拟编队构型设计的航天器轨道修正方法。空间激光干涉引力波探测器由3颗航天器组成等边三角形构型。由于入轨误差和摄动的影响，探测器的构型不稳定。假设名义轨道上运行着一颗理想航天器，实际轨道上的真实航天器与之组成虚拟编队，探测器的3颗真实航天器分别与对应的理想航天器组成3个虚拟编队。考虑探测器构型稳定性要求和摄动的影响，对虚拟编队的构型进行设计，进而求解航天器平均轨道要素修正量。求解得到的航天器平均轨道要素修正量小于偏差量，轨道修正通过四脉冲控制实现。数值仿真结果表明，该方法通过部分轨道修正满足了探测器的构型稳定性要求，具有减少燃料消耗、延长任务寿命的潜力。      

LISA引力波探测任务正式成为ESA第三个大型空间任务

<正>欧洲空间局(ESA)科学计划委员会2017年6月20日确认探测空间引力波的激光干涉仪空间天线(LISA)任务为ESA宇宙憧憬(Cosmic Vision)空间科学规划下的第三个大型任务(L3)。LISA任务预计于2034年发射,总预算高达10亿欧元。NASA也将参与LISA任务的设计、开发、运行和数据分析工作。2016年美国激光干涉引力波天文台(LIGO)