437张衡太空引力探测器
从航天研发中心出来,张冲志的手机响起来,点开,里面传来欧阳文元的声音;“张长官,我们张衡力探测器研发小组你要多靠靠,我们也需要你的帮助!”
张冲志一听立刻嘴角抽动几下,说道:“欧阳主任我一定多向你们小组靠,现在有什么事情吗?”
“我现在正要去鸿盛光学仪器厂,确定干涉境、反射镜,还有激光增强镜等部件,请你过来帮着确定一下。”欧阳主任说。
“好,我这就赶过去,我们光学仪器厂碰面。”
在物理学上,引力波是爱国斯坦广义相对论所预言的,是一种以光速传播的时空波动,如同石头丢进水中产生的波纹一样,引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。
通常引力波的产生非常困难,地球围绕太阳以每秒30公里的速度前进,发出的引力波功率仅为200瓦,还不如我们家用热水器的功率大。
引力波是一种与电磁波不同的辐射,无法通过电磁波直接观测,而且它与宇宙中物质的作用非常微弱,因此可以传播至很远的宇宙空间。
最新研究以为引力波在宇宙中的作用范围在1亿光年左右。
想要观测到引力波,只有通过宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波,但是能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远,传播到地球时变得非常弱。
当然如果距离近,有没有太阳系都不一定,更不用说地球上的人类了。
在新陆国东部时间4115年9月14日,位于利文斯顿的LAGo探测器首先传出撞击声,7毫秒后,汉德福的LAGo探测器也传出撞击声,证明测定出引力波的存在,而且测定引力波的传播速度是光速。
这次事件是在遥远地宇宙中,有两个黑洞,一个黑洞是29倍太阳质量,一个黑洞是36倍太阳质量,它们以0.5倍光速合并成一个62倍太阳质量的黑洞,合并过程中释放出约3倍太阳质量的能量。
这些能量以引力波的形式辐射出去,并最终到达地球,被LAGo探测到,成为了一次世界级的大发现。
LAGo引力探测器由于在地球表面上,会有许多噪音,非常影响观测结果,而且受地球曲面影响,难以建设的太大,所以许多科学家都想在太空建立大型引力探测器。
但是受制于火箭运载力等制约,成本太高,无法投资建造。
现在大鹏号飞船的研制成功,使轩辕太空发射成本成几何倍数下降,而且运力大增,有条件建设这个探测器。
车子很快到达光学玻璃厂,严明复正在接待欧阳文元,看到张冲志忙上来的迎接。
张冲志问:“明复,反射玻璃研究的怎么样?”
“老师,由于有制造光刻机极紫外光源和纯反射玻璃的经验,张衡引力探测器200千瓦专用激光器反射玻璃,还有纯反射玻璃都可以制造,质量都超过LAGo所用的。
LAGo所用的反射玻璃光线反射率达到99.9999%,而我们能达到99.%。”严明复认真地说。
“玻璃结构怎样?”张冲志问。
”LAGo所用的70层玻璃,拥有非凡的灵敏度,我们的新玻璃借助于玻璃属性的最新理论观点,生产出一种被称为完美玻璃的玻璃,其中的分子以最紧密的方式随机排列在一起,处于稳定状态,很少存在双构型系统。
我们把硅玻璃分子一个接一个扔到表面上,让它们相互贴合在一起,这种玻璃可以大幅度减少玻璃中的噪声。
另外我们采用二氧化锗加少量钛的玻璃,这种玻璃比钽玻璃更有利于减低噪声。
这样反射镜就由70层玻璃组成,其中35层用这种二氧化硅完美玻璃,每层后面再加一层二氧化锗玻璃,总共70层就可以将激光99.%都反射回去。”
欧阳文元说:“那这样我们的激光器功率是否又可以提升一些,激光功率可达到2000千瓦,我们可以探测到的频率范围会更大,即使与LAGo的探测臂一样长,下限可以达到0.1赫兹频率。
如果探测臂长度达到4千公里,下限就可以达到0.00001赫兹。”
严明复说:“干涉仪有两个提供光束离去的出口,一个出口是量度干涉程度的光探测器,一个出口是两个光束回到了分束器之后再返回激光器的输出口。
在理想状态下,从干涉仪的激光器发出的光束,除去被反射镜吸收外,都会返回激光器的输出口。
只有当引力波通过时,由于引力波的拉伸作用,影响干涉仪的臂长,使一条变长,另一条臂变短,这样两束激光失去相互干涉条件,使激光信号抵达光探测器,从而测到引力波。
由于我们的反射镜质量优良,少于万分之一的光束会在这过程中损耗,可以通过激光器输出口的前面放置一面反射镜,将反射回激光器输出口的光束再反射回干涉仪内。
这样使得激光功率得到积累,激光器只需重新供给反射镜损耗掉的光束,就可以在提高激光器功率的同时还节约能量。
所以我们的激光器功率比LAGo增加一倍,能耗却降低四分之三,使得张衡引力探测器所携带的能源使用时间大为延长。”
张冲志说:“这样张衡太空引力探测器的噪声影响,位移噪声中的‘地噪声、热噪声’由于太空中温度接近绝对零度,可以不予考虑,影响不大。
传感噪声是对于实验器具的微小位移所进行的量度而产生的噪声,主要是散粒噪声,现在我们的激光器功率超过200千瓦,已经可以使测量误差低于10的负16次方米。”
“现在来自外界的影响主要是太阳的辐射压和太阳风的动压强。
我们采用无阻尼技术,使用航天器本身做为内部测试质量的防护罩,保护测试值量不被外界影响,促使它能够自己沿测地线运动,全自由落体状态,与航天器没有任何牵缠。
航天器对它的位置作出精确的监测,并且开启自动喷气来改变位置,避免任何接触,这样就能排除一切干扰了。”
欧阳文元说:“现在我们就要在先进推力器、超灵敏的加速度计、激光测距仪等方面提高精度。
升空后可以探查致密星体围绕大质量黑洞的公转动力学、追溯超大质量黑洞的合并起源与演化,解析恒星黑洞的天体物理学、探索动力与黑洞的基本秉性、估算宇宙膨胀的速率、了解随机引力波背景的起源与意涵、探测原初引力波。
可以直接观测宇宙的初始,即在大爆炸后10的负38次方秒至10的负36次方秒之瞬间的情况,揭露宇宙的起源,探查宇宙暴胀所导致的引力波背景。
三人都点头同意。
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