成人av鲁丝片一区二区免费,亚洲色偷偷综合亚洲av伊人,亚洲av日韩精品久久久久久,国产精品186在线观看在线播放,台湾佬自拍偷区亚洲综合

您好!歡迎光臨北京鐳測科技有限公司
北京鐳測科技有限公司
聯(lián)系我們
北京鐳測科技有限公司
聯(lián)系人:楊女士
電話(huà):010-65661451
郵箱:[email protected]
地址:北京市朝陽(yáng)區新管莊科技園

行業(yè)新聞

聆聽(tīng)來(lái)自宇宙的聲音:空間引力波探測太極計劃的新突破
發(fā)布時(shí)間:2024-04-16瀏覽次數:36

以下文章來(lái)源于悅智網(wǎng) ,作者高瑞弘、王少鑫等

引力波為探索和認識未知世界提供了新的重要途經(jīng)和手段,空間引力波探測是世界各國競爭的科學(xué)前沿。中國科學(xué)院力學(xué)研究所作為太極計劃的核心參與團隊開(kāi)展了空間引力波探測所需的多項關(guān)鍵技術(shù)研究,突破了皮米級激光干涉測量技術(shù)及高精度弱力測量技術(shù)、搭建了納弧度級激光捕獲跟瞄一體化地面模擬系統、研制了國內首套光粘干涉儀樣機,力爭實(shí)現國際空間引力波探測的首次突破。
當我們仰望天空,蒼穹上的點(diǎn)點(diǎn)星光總讓人著(zhù)迷;當我們望向遠方,生命來(lái)自何處又歸向何方的思緒亦常涌上心頭。茫茫宇宙珍藏了世間美好又埋藏了無(wú)數秘密,為窺探其中的奧秘,人類(lèi)從未停止探尋天空的腳步,人造衛星、射電望遠鏡、空間站、載人航天讓我們一步一步拉近與宇宙間的距離,然而暗能量、暗物質(zhì)、黑洞起源、早期宇宙相變等傳統探測手段無(wú)法觀(guān)測的現象又一次次見(jiàn)證了我們的渺小。幸運的是,引力波為探索和認識未知世界提供了新的重要途經(jīng)和手段。如果說(shuō)電磁波讓我們看到了浩瀚的星空,那么引力波就讓我們聽(tīng)到了來(lái)自宇宙的聲音。
引力波是愛(ài)因斯坦廣義相對論中最重要的預言之一,由物質(zhì)和能量的劇烈運動(dòng)和變化所產(chǎn)生,在行進(jìn)過(guò)程中擠壓或者拉伸時(shí)空,類(lèi)似于水面泛起的漣漪一般,以光速向外傳播。引力波提供了有別于電磁波的全新的觀(guān)測宇宙的窗口,通過(guò)引力波探測將可能揭開(kāi)暗能量和暗物質(zhì)的神秘面紗,為我們呈現一幅更完整的宇宙圖景,同時(shí)為揭示引力本質(zhì)、發(fā)現引力子和探索大統一理論提供了一個(gè)不可替代的途徑。相較于電磁波而言,引力波與物質(zhì)之間作用十分微弱,可以沒(méi)有能量損耗地穿透任何物質(zhì)。對于深空及極端條件探測,如大質(zhì)量黑洞合并、超新星引力坍縮、致密雙星系統、大爆炸留下的背景輻射等,引力波將成為有力的探測手段。因此,引力波被稱(chēng)為物理學(xué)皇冠上的明珠,是科技強國競爭的科學(xué)前沿。
然而由于引力波信號非常微弱,探測難度極大,從愛(ài)因斯坦提出預言開(kāi)始整整100年的時(shí)間里,各國科學(xué)家們經(jīng)過(guò)了無(wú)數次的嘗試,終于在2016年通過(guò)美國的地面引力波探測天線(xiàn)LIGO成功實(shí)現了人類(lèi)歷史上首次引力波信號的探測。受限于地面噪聲及地面實(shí)驗尺度的限制,LIGO僅能測量10赫茲以上高頻段的引力波信號,而0.1毫赫茲 ~1赫茲的中低頻段具有極其豐富的波源,具有更深刻的宇宙學(xué)和天文學(xué)意義,對應更重要的科學(xué)價(jià)值和應用前景??臻g引力波探測可擺脫地面實(shí)驗的限制,在太空開(kāi)展百萬(wàn)公里級精密激光干涉測量,實(shí)現中低頻引力波信號的探測,是世界各國逐鹿的下一個(gè)科技制高點(diǎn),但也將面臨比地面探測更大的技術(shù)挑戰。
太極計劃是由中國科學(xué)院牽頭發(fā)起的空間引力波探測計劃,擬發(fā)射3顆衛星在太空構建300萬(wàn)公里臂長(cháng)等邊三角形編隊,衛星間兩兩通過(guò)激光建立連接。當引力波信號經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì )引起時(shí)空的彎曲進(jìn)而改變光束在兩測量點(diǎn)間傳輸的距離,利用高精度激光干涉儀對這個(gè)距離變化進(jìn)行讀出即可實(shí)現引力波信號的反演,有望實(shí)現國際上首次中低頻段引力波信號的探測。然而測量原理看似簡(jiǎn)單,實(shí)現起來(lái)卻困難重重,測量技術(shù)的發(fā)展將起到?jīng)Q定性的作用。中國科學(xué)院力學(xué)研究所作為太極計劃的核心參與單位,在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃的長(cháng)期支持下,致力于推動(dòng)我國空間引力波探測事業(yè)的發(fā)展,與中國科學(xué)院大學(xué)、國科大杭州高等研究院、中國科學(xué)院長(cháng)春光學(xué)精密機械與物理研究所、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、中國科學(xué)院微小衛星創(chuàng )新研究院等單位組成研究團隊,深入開(kāi)展空間引力波探測科學(xué)載荷研究,突破了皮米級位移測量、納弧度級角度測量和高精度慣性基準構建等技術(shù)難題,參與研制的“太極一號”實(shí)驗衛星邁出了中國空間引力波探測的第一步。
分毫不差的精確:激光干涉儀
為了在空間中探測微弱的引力波信號,需要在百萬(wàn)公里量級的距離上分辨出皮米級的位移變化,相當于在10倍地月距離的尺度下分辨一個(gè)原子尺寸的百分之一,形容為大海撈針真是毫不夸張。常規的測量手段顯然難以實(shí)現如此高的測量精度,因此我們考慮采用一把特殊的尺子——激光。激光的波長(cháng)通常為百納米至微米量級,構建激光外差干涉儀提取干涉信號的相位,可對波長(cháng)進(jìn)一步細分,是目前實(shí)現皮米級位移分辨的有效手段。因此,空間引力波探測以激光外差干涉作為其核心測量方法學(xué),激光干涉儀則是實(shí)現測量的主要器件。
激光干涉儀主要由激光器、光學(xué)平臺及相位計3部分組成,激光由激光器發(fā)出后通過(guò)不同功能的光學(xué)鏡片引導,在光學(xué)平臺上形成不同功能的干涉儀,其中一路通過(guò)望遠鏡發(fā)射,傳播300萬(wàn)公里的距離后到達遠端衛星,與遠端衛星搭載的干涉儀本地光束進(jìn)行干涉,之后由相位計測量拍頻信號的相位以此來(lái)反演光程變化。為了實(shí)現皮米級位移分辨,干涉測量系統中任何一點(diǎn)微小的擾動(dòng)都可能像扇動(dòng)翅膀的蝴蝶一般對測量精度產(chǎn)生嚴重影響。由此可以看出,皮米級激光干涉儀的核心問(wèn)題在于溯源噪聲、了解噪聲與抑制噪聲。
在激光干涉儀研究方面國外起步較早,經(jīng)過(guò)20多年的技術(shù)積累,目前對空間引力波探測激光干涉儀系統的認識已較為清晰,對限制干涉儀測量精度的各類(lèi)噪聲分別進(jìn)行了較為細致的建模與驗證,并且進(jìn)行了較為嚴謹的實(shí)驗驗證,對各類(lèi)噪聲的基本性質(zhì)進(jìn)行了全面分析并研制了多套不同功能的激光干涉儀。國內方面起步相對較晚,在國外核心器件及技術(shù)封鎖的背景下,太極團隊獨立開(kāi)展研究,目前已取得了重大突破。
在激光干涉儀系統噪聲分析方面,研究團隊以皮米級激光測距指標為頂層指標,對組成部分各單機載荷進(jìn)行逐步剖析,建立了太極計劃干涉儀系統的噪聲指標體系。研究表明,激光器的頻率抖動(dòng)、衛星平臺的振動(dòng)、光學(xué)平臺的熱脹冷縮、干涉儀受到的應力變化、探測器的背景噪聲、光學(xué)系統的雜散光等看似微小的擾動(dòng)均會(huì )對皮米級測量精度產(chǎn)生不可忽視的影響。以上述研究為基礎,團隊進(jìn)一步分析了噪聲影響機制,對主要噪聲分別進(jìn)行了建模與驗證,從主動(dòng)抑制、共模噪聲消減和數據后處理3個(gè)方面開(kāi)展了噪聲抑制方案研究,提出了激光干涉測量系統構建方案。
而在激光干涉儀研制方面,研究團隊完成了國內首套光粘干涉儀樣機研制。所謂的光粘是一種通過(guò)構建不同材料間共價(jià)鍵的方式實(shí)現玻璃基板與光學(xué)鏡片間無(wú)應力粘接的技術(shù),利用光粘技術(shù),玻璃鏡片就像是從基板上“生長(cháng)”出來(lái)一樣,二者成為一個(gè)整體。之所以采用這樣的技術(shù),主要是因為可以在保證足夠的結構強度和可靠性的同時(shí)極大程度提高系統的結構和熱穩定性,避免材料熱脹冷縮產(chǎn)生的光程噪聲對皮米測量精度的影響。除采用光粘技術(shù)外,所研制的激光干涉儀采用一體化設計,充分考慮了多功能復用,不僅具備三路干涉測量,還具備激光通信、對鐘、超前指向、Backlink等輔助功能。目前利用光粘干涉儀樣機及自主研發(fā)的16通道相位計,實(shí)現了毫赫茲頻段皮米甚至優(yōu)于皮米量級的地面測試精度。
百步穿楊的精準:激光捕獲跟瞄系統
激光干涉儀進(jìn)入工作模式是建立在3顆衛星彼此間激光光束對準的前提下。受限于導航定位精度,3顆衛星進(jìn)入預定軌道后各自的激光干涉儀并不能直接“看”到對方;不僅如此,激光干涉儀還不滿(mǎn)足于“看”到彼此,它們需要對方的眼里只有自己。干涉儀平臺間光束的指向抖動(dòng)需被控制到納弧度量級以保證皮米級干涉測量精度,這相當于從地球上投籃投進(jìn)月球上一個(gè)籃筐的小角度。為此,太極計劃衛星上配備了專(zhuān)門(mén)的激光捕獲跟瞄系統,以實(shí)現百步穿楊般的精準。然而,太極計劃對激光捕獲跟瞄系統的需求還遠不止超高的精準。由于光束在自由空間中傳輸了300萬(wàn)公里的距離,在接收衛星處光束會(huì )因發(fā)散而變得非常大,進(jìn)入接收衛星內的光僅占整個(gè)光束的一小部分,經(jīng)估算光功率僅有百皮瓦量級,因此捕獲跟瞄系統還需要在“黑暗”的條件下工作。
為了完成如此艱巨的任務(wù),目前太極計劃擬采用三級捕獲探測方案。第一級采用星敏感器確定衛星姿態(tài),實(shí)現光束的初始指向。星敏感器雖然精度遠遠達不到納弧度級角度分辨率,但因其視場(chǎng)很大可進(jìn)行大范圍探測,非常適用于初始指向階段。第二級采用電荷耦合器件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)捕獲相機進(jìn)行掃描探測,初始指向后兩個(gè)衛星的方向被限制在一個(gè)較小的范圍內,我們稱(chēng)其為不確定區域。調整衛星姿態(tài)可使光束對不確定區域進(jìn)行完整的掃描,在某一時(shí)刻光束將進(jìn)入接收衛星并在其捕獲相機上成像一個(gè)光斑,我們計算光斑中心的位置,并將其與地面標定好的相機參考位置進(jìn)行比較,由此可推算出光束的指向偏差,依此來(lái)調整衛星姿態(tài)即可完成光束的捕獲過(guò)程。捕獲相機相比星敏感器雖然視場(chǎng)較小,但其探測靈敏度更高,可進(jìn)一步縮小不確定區域至第三級探測器視場(chǎng)之內。然而,截至目前納弧度級的測角需求依然沒(méi)能滿(mǎn)足,重任落到了第三級探測器即四象限探測器的肩上。通常來(lái)說(shuō),四象限探測器利用各象限間光強的差異來(lái)計算角度偏差,但這種強度敏感的方案因暗電流噪聲的影響難以達到要求。太極計劃考慮采用一種稱(chēng)為差分波前傳感的技術(shù),利用各象限探測的干涉信號,通過(guò)對波前偏差進(jìn)行分辨來(lái)實(shí)現納弧度級的測量分辨率,依此來(lái)調整衛星姿態(tài)即可完成光束的高精度跟瞄。
可以看出,納弧度級的激光捕獲跟瞄不僅依賴(lài)于高精度角度測量技術(shù),還依賴(lài)于各個(gè)探測階段間的配合,研究團隊針對上述兩方面均開(kāi)展了研究。在測量技術(shù)方面,分析了捕獲相機背景噪聲對光斑中心定位精度的影響,設計了適用于弱光探測的高精度質(zhì)心算法;分析了跟瞄階段采用的差分波前傳感技術(shù)的非線(xiàn)性特性及零偏特性對鏈路建立過(guò)程的影響,提出了捕獲跟瞄光學(xué)系統設計方案;在整體方案驗證方面,搭建了國際首個(gè)空間引力波探測激光捕獲跟瞄一體化地面實(shí)驗系統,實(shí)驗系統可在充分模擬在軌運行工況的情況下,實(shí)現激光捕獲跟瞄全流程自動(dòng)模擬。實(shí)驗獲得的激光捕獲精度優(yōu)于1 微弧度,跟瞄精度在毫赫茲頻段達到納弧度水平,均可滿(mǎn)足太極計劃要求,充分驗證了捕獲跟瞄測量方案及技術(shù)的可行性。
不動(dòng)如山的穩定:慣性傳感器
前文我們提到,空間引力波探測是根據空間中兩個(gè)測量點(diǎn)間光束傳播的距離變化來(lái)反演引力波信號的。激光干涉儀提供了位移測量手段,激光捕獲跟瞄系統保障了干涉儀的正常工作,現在我們需要考慮的問(wèn)題是去哪里找測量點(diǎn)呢?為測量微弱的引力波信號,測量點(diǎn)需要盡可能避免其他物理耦合因素引入的相對位移變化,從而處于極端穩定的自由漂浮狀態(tài)。實(shí)際上,我們需要測量點(diǎn)在 5分鐘(一個(gè)特征周期)內的質(zhì)心平均位置漂移僅僅在一個(gè)氫原子半徑的百分之一水平。然而,即使在非常穩定(甚至是零擾動(dòng))的空間環(huán)境中,依然廣泛存在著(zhù)太陽(yáng)光壓、宇宙射線(xiàn)及電磁環(huán)境等干擾源,而這些干擾足以淹沒(méi)引力波信號,因此我們需要研究一套用于將這些噪聲隔離開(kāi)的系統,這個(gè)系統就是慣性傳感器。慣性傳感器的主要任務(wù)就是保持其內部的檢驗質(zhì)量塊在空間實(shí)現高精度的自由漂浮,使其成為我們需要的穩定的測量點(diǎn)。
慣性傳感器是由檢驗質(zhì)量、彈簧和阻尼器等組成的最基礎的彈簧振子系統,當外部力作用于檢驗質(zhì)量時(shí),檢驗質(zhì)量的運動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化,通過(guò)測量彈簧的變形或阻尼器的阻尼力可以推導出外部力的大小和方向。其通過(guò)慣性原理來(lái)實(shí)現檢驗質(zhì)量的加速度、速度和位置等信息的測量,并將該信息傳遞給無(wú)拖曳控制系統,無(wú)拖曳控制系統通過(guò)衛星微推進(jìn)器反向補償來(lái)達到衛星跟隨檢驗質(zhì)量的目的,從而進(jìn)一步降低外界噪聲的影響。對于空間引力波探測來(lái)說(shuō),外部噪聲極其微弱,因而多采用以電容傳感和靜電力驅動(dòng)為基礎的測量和控制方法,能夠大大提升系統的測量精度,該技術(shù)也已經(jīng)在地球重力場(chǎng)測量等領(lǐng)域得到廣泛應用。
慣性傳感器基本原理看似簡(jiǎn)單,但在實(shí)際的研究中,還有方方面面的設計約束條件需要考慮。比如,為了克服發(fā)射階段的環(huán)境振動(dòng)條件對檢驗質(zhì)量的破壞性影響,通常系統都會(huì )設計一套地面鎖緊裝置來(lái)對其進(jìn)行鎖定,入軌后再以極低的初速度將其釋放以便于靜電力對其捕獲;為了降低穿透飛船到達檢驗質(zhì)量的高能粒子,會(huì )設置一套電荷管理系統,通過(guò)光電效應來(lái)中和電荷累積影響;為了精確獲取檢驗質(zhì)量周?chē)姶艧岘h(huán)境水平,檢驗質(zhì)量周?chē)€設置有多種相應的傳感器。除此之外,慣性傳感器的研制還需要對材料剩磁、系統自引力補償、熱傳導等一系列問(wèn)題展開(kāi)深入討論,同時(shí)慣性傳感器需要工作在具有良好溫度梯度的環(huán)境下,還配備復雜的溫度控制系統。因此,為了能夠實(shí)現對空間引力波的高靈敏度探測,慣性傳感器通過(guò)多功能的系統設置和復雜的系統設計來(lái)保證檢驗質(zhì)量在軌實(shí)現近乎完美的自由漂浮狀態(tài)。
研究團隊針對慣性傳感器相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了一系列攻關(guān)工作。其中,高精度電容傳感與靜電控制技術(shù)部分,實(shí)現了在毫赫茲頻段靜電驅動(dòng)控制穩定性?xún)?yōu)于百萬(wàn)分之一的超高精度水平,首次提出并構建了全自由度電容傳感標定系統;完成了檢驗質(zhì)量和電極籠樣機研制,集成后軸間串擾耦合優(yōu)于萬(wàn)分之一;同時(shí)搭建了超高精度扭秤弱力測量地面驗證系統。這些成果為實(shí)現空間引力波探測超高精度慣性傳感器的順利研制打下了堅實(shí)基礎。
未來(lái),項目團隊將繼續發(fā)展激光干涉測量、激光捕獲跟瞄及慣性傳感等關(guān)鍵技術(shù),攻殲皮米級星間干涉測距、高精度弱光鎖相、高精度電容傳感與靜電伺服控制等技術(shù)難題,助力“太極二號”三星系統研制,推動(dòng)系統由方案研制階段轉入工程實(shí)施階段,力爭實(shí)現國際首次百萬(wàn)公里距離星間激光干涉測距實(shí)驗及國際空間引力波探測的首次突破。
專(zhuān)家簡(jiǎn)介
高瑞弘:中國科學(xué)院力學(xué)研究所助理研究員。
王少鑫:中國科學(xué)院力學(xué)研究所特別研究助理。
劉河山:中國科學(xué)院力學(xué)研究所特聘骨干研究員,重點(diǎn)研發(fā)計劃青年項目負責人。
齊克奇:中國科學(xué)院力學(xué)研究所副研究員。
李 磐:中國科學(xué)院力學(xué)研究所副研究員,重點(diǎn)研發(fā)計劃課題負責人。
徐 鵬:中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員,重點(diǎn)研發(fā)計劃課題負責人。
羅子人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所特聘核心研究員,中國科學(xué)院微重力重點(diǎn)實(shí)驗室副主任,國科大杭州高等研究院引力波宇宙太極實(shí)驗室副主任,空間引力波探測太極計劃首席科學(xué)家助理,國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目首席。
來(lái)源:悅智網(wǎng)
編輯:K.Collider



你覺(jué)得這篇文章怎么樣?

0 0
網(wǎng)友評論

管理員

該內容暫無(wú)評論

美國網(wǎng)友
4008168900

成人av鲁丝片一区二区免费,亚洲色偷偷综合亚洲av伊人,亚洲av日韩精品久久久久久,国产精品186在线观看在线播放,台湾佬自拍偷区亚洲综合,在线人成免费视频69国产,日日日日做夜夜夜夜做无码,无码熟妇人妻av在线影片免费,最近最新中文字幕高清免费,亚洲欧美精品一中文字幕