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OEE封面 | 空间引力波探测望远镜研究进展【北京空间机电研究所王小勇研究员团队】

发布:WWWY1722阅读:409时间:2024-2-16 19:33:01

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北京空间机电研究所王小勇研究员、白绍竣研究员、林栩凌研究员带领的研究团队围绕空间引力波星载望远镜核心指标的实现,对光学系统、光机结构、空间热环境与热控、杂散光仿真与抑制、稳定性测量等方面的研究进展进行了系统的综述。

封面文章 | 王小勇,白绍竣,张倩,等. 空间引力波探测望远镜研究进展[J]. 光电工程,2023,50(11): 230219. 

第一作者:王小勇

通信作者:白绍竣

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概述

       1915年,爱因斯坦根据广义相对论预测了引力波的存在。在一百年之后的2015年9月14日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)直接探测到引力波。经过科学家们的仔细分析与确认,美国国家科学基金会在2016年2月11日公布了这一重大科学成果,研究团队在次年即获得了诺贝尔物理学奖。引力波探测作为天文学中的一种新的观测手段,在21世纪的物理科学领域占据了举足轻重的地位,它为人类深入探索致密恒星系统、星系以及宇宙演化提供了一个全新的视角。地基引力波探测器受地表振动、引力梯度噪声以及干涉臂长等因素的限制,使得中低频段的引力波信号无法得到有效的探测。而空间引力波探测可以突破这些限制,将探测频段拓展到0.1 mHz~1 Hz,该频段丰富的引力波事件有望揭开更多的宇宙奥秘,因此国内外先后提出了多种空间引力波探测计划。

       目前国内外主要的空间引力波探测计划有欧洲航天局与美国航空航天局合作开展的LISA(Laser interferometer space antenna)计划,中山大学牵头提出的“天琴计划”以及中国科学院提出的“太极计划”。这三个计划均采用三颗航天器在空间组成等边的三角形星座,在几十万到几百万公里的臂长上构建高精度的长基线干涉系统,测量两个测试质量之间的相对距离变化,再通过距离变化反演引力波信号。由于引力波信号非常微弱,探测灵敏度需要在0.1 mHz~1 Hz频段内达到~pm/Hz1/2以及~nrad/Hz1/2 的水平。为了提高收发链路的效率,每个航天器载有两个望远镜进行本地激光的准直发射和远端激光的接收与压缩。与通常的成像系统不同,空间引力波探测望远镜除了具有高质量的波前要求,还需要满足极高的光程稳定性和杂散光抑制要求。

       由于光的衍射效应,本地发射的激光经过超远距离的传输之后,能被远端接收到的仅仅为极小的一部分。根据LISA任务的分析,假设发射激光功率为1 W,远端接收到的功率为~100 pW,显然望远镜的杂散光不可大于接收信号。由于望远镜同时承担发射和接收功能,望远镜产生的后向散射杂光需要进行严格的控制。望远镜作为空间激光干涉光路的一部分,其本身的光程变化直接体现为测量噪声,所以对望远镜光机本身的稳定性要求非常高。另外,望远镜的波前像差与指向误差的耦合可以产生TTL(tilt-to-length)噪声。

 

关键进展

       北京空间机电研究所王小勇研究员、白绍竣研究员、林栩凌研究员带领的研究团队在《光电工程》2023年11期“空间引力波探测星载望远镜”专题上发表了题为“空间引力波探测望远镜研究进展”的综述文章,围绕望远镜核心指标的实现,对光学系统、光机结构、空间热环境与热控、杂散光仿真与抑制、稳定性测量等方面的研究进展进行了系统地综述。

       空间引力波探测计划采用三颗航天器在空间组成等边的三角形星座,三个航天器之间的夹角会随着季节发生一些微小的变化。以LISA的轨道为例,在轨6年时间轨道呼吸角的变化约为±0.8°。为了保证探测任务的连续进行,需要对轨道呼吸角进行补偿,目前主要有两种解决方案:1)通过整体转动望远镜和后光学平台实现补偿;2)通过一个大视场的望远镜和高精度的指向镜在视场内改变光轴指向进行补偿。两种方案各有优缺点,整体转向的方案需要对望远镜和航天器平台之间的光纤和电缆连接进行特殊考虑,严格控制由运动产生的噪声,另外由于望远镜和后光学平台转动惯量较大,对航天器的姿态扰动也较大;视场内指向的方案可以避免上述两个缺点,但是增加了望远镜的复杂程度,指向镜的研制难度也比较大,指向镜的运动也会引起测量噪声,图1所示为两种方案的对比示意图。

图 1 望远镜整体转向方案与视场内指向方案对比

       国内外的学者针对两种方案设计进行了多种光学系统形式的设计探索,如同轴卡塞格林系统与离轴的卡塞格林系统、分为两级的离轴的多反系统、反射和透射混合的光学系统、离轴四反光学系统等。目前整体转向的方案是望远镜的设计基线(图2),光学系统采用离轴四反的形式。光学设计和当前的加工装调水平可以保证望远镜的波前质量要求,光学系统的优化方向是进一步减小TTL误差以及提高与后光学平台的匹配性。LISA的望远镜研制团队提出了面向光瞳像差的优化方法,三镜采用了自由曲面,利用各个视场的主光线与出瞳平面的交点所包络的区域大小对光瞳像差进行直观的评价,优化后的结果显示在科学视场内TTL噪声降低到了1 pm/μrad。此后该团队又尝试了三镜和四镜均采用自由曲面的光学系统形式,进一步降低了TTL噪声。

图 2  望远镜光学系统基线设计

       在光机结构设计方面,研究人员对各种具有应用潜力的材料进行了研究对比,碳纤维材料虽然比刚度较高,但是材料出气和吸湿等特性引起的稳定性风险较大;SiC材料虽然可以满足使用要求,但由于热膨胀系数偏大,对热控系统的要求比较高;NASA的望远镜研究团队最近的研究基线转向了光学元件和支撑结构全部采用微晶玻璃的方案,先后提出了多种构型设计,目前还在不断地优化过程中。全微晶的光机结构可以较好地保证稳定性,但是微晶玻璃许用强度较低,脆性材料对于微裂纹和微缺陷敏感,阻尼系数也较小,力学响应会比较大,存在较大的风险,需要开展深入的仿真和验证工作。

       空间引力波探测望远镜对杂散光具有极其严苛的要求,主要基于两方面的原因:一方面是本地发射的激光经过远距离传输之后,能够被远端接收的信号非常微弱;另外一方面是发射激光的后向散射杂光与本振激光具有相同的频率,与本振光具有相干性,会直接产生干涉信号的相位噪声。对杂光影响最大的是望远镜的后向散射,后向散射除了与光学系统形式有关,还与光学表面散射特性有密切关系,主要包括光学元件表面的粗糙度、膜层特性、表面疵病以及表面的污染情况等。双向散射分布函数BSDF是表征表面散射特性最常用的手段。表面粗糙度引起的散射可以采用Harvey-Shack模型,由颗粒物污染引起的散射可以采用Mie散射模型,而且散射模型的参数可以根据光学元件的实际测试结果进行修正,再输入杂散光分析软件进行系统仿真,提高仿真的精度。根据目前的研究,光学表面的污染引起的杂散光比光学表面的粗糙度引起的杂散光更严重。随着工艺水平的提升,光学表面的光滑程度还有进一步提高的空间,与光学表面的粗糙度相关的杂散光还可以进一步降低;与表面污染相关的杂散光抑制,有赖于污染物的散射模型精度提升与污染的控制措施。

       热环境和望远镜的温度稳定性是保证望远镜稳定性的关键。LISA和“太极计划”采用太阳轨道,轨道面与太阳矢量的夹角(β角)变化比较小,基本稳定在60°,空间热环境也非常稳定。外热流的主要波动源是太阳常数的波动,根据长期的太阳辐照监测数据总结的经验公式估计,在0.1 mHz频段太阳常数的波动为3.77 Wm-2/Hz1/2。经过热控系统之后,热控系统的设计思路如图3所示,根据Morgenroth的初步热分析结果显示由太阳常数的波动引起的望远镜主镜温度波动为9.9×10-7 K/Hz1/2@0.1mHz;由电子学单机引起的望远镜主镜温度波动为3×10-5 K/Hz1/2@0.1 mHz。电子学单机热耗引起的温度波动远大于太阳常数引起的温度波动。对于“天琴计划”,其采用的是地心轨道,任务周期内的β角变化比较大,每年的变化范围约为-85°~+85°。因此,目前天琴拟采用“3个月测量、3个月待机”的交替运行模式,在测量时段内β角的变化范围约为46°~85°。经过Chen等人的分析研究,从频域来看,在0.1 mHz -1 Hz频段内,由β角的变化引起的外热流波动< 10-3 Wm-2/Hz1/2;主要的外热流扰动仍来自太阳常数的波动,约为5 Wm-2/Hz1/2,与LISA太阳轨道的热环境基本处于同样的水平。

图 3  LISA航天器的热控设计思路

       此外,文章还对望远镜的光程稳定性测试系统和具有在轨应用可行性的稳定性监测系统进行了综述。

 

总结与展望

       望远镜是空间引力波探测系统的关键部件之一,光程稳定性与杂散光等指标要求极具挑战。目前从设计分析和部分技术指标的验证来看,已经接近或者达到任务的要求,但仍然面临多方面的工程化困难。望远镜的设计必需通过光机力热集成优化,并与后光学平台以及航天器总体相互迭代优化。文章对国内外空间引力波望远镜的光学系统设计、光机结构设计、杂散光仿真与控制、热控设计、稳定性测量等方面的研究进展进行了回顾,可以为我国的空间引力波探测望远镜研制提供参考。

 

该研究获得国家重点研发计划“引力波探测”重点专项支持(项目编号:2021YFC2202000)

 

研究团队简介

王小勇(1972-),男,博士,研究员,北京空间机电研究所副所长。长期从事空间光学遥感器研究,突破了先进光学加工、大口径遥感器检测和装调、高分辨率相机轻小型化等多项核心关键技术。主持完成了三代 6 个型号的高分辨率航天遥感器研发,在轨性能优异,技术水平和产品性能达到国际先进水平。新世纪“百千万人才工程”国家级人选, 获中央企业劳动模范,享受国务院特殊津贴,国家重点研发计划项目负责人。获国家科学技术进步奖二等奖 1 项,**科学技术进步奖一等奖 2 项、二等奖 1 项,三等奖 2 项。近年来带领团队承担了5项“引力波探测”重点专项项目,其中牵头1项。

 

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