面向天基引力波探测的时间延迟干涉技术

王登峰，姚 鑫，焦仲科，任 帅，刘 玄，钟兴旺

（中国空间技术研究院西安分院，陕西 西安 710100）

1 引言

基于迈克尔逊激光干涉仪的引力波探测器开启了人类观测宇宙的新纪元。2016 年以来，位于美国的臂长4 km 的LIGO 探测器和位于意大利的臂长3 km 的VIRGO 探测器联合探测到数十次致密双星的合并事件，自此引力波天文学得以迅猛发展。目前，地基引力波探测器已经持续运行数年，并且在不断改造升级以达到更高的灵敏度[1-3]。然而，受臂长限制，地基探测器的观测窗口在1 Hz 到kHz 的高频段。由于在地面大幅度增加干涉仪臂长是不实际的，并且存在难以消除的低频地表震动噪声，因此LIGO 等探测器无法有效观测到1 Hz 以下的低频引力波信号。另一方面，在mHz 波段宇宙存在着最丰富的引力波辐射源。在太空中构建具有十万公里甚至百万公里臂长的干涉仪是观测低频引力波的理想解决方案。欧洲主导的“激光干涉仪空间天线”（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）项目便是瞄准探测和研究毫赫兹波段引力波辐射源的典型代表。在LISA 任务中，三颗全同卫星组成边长为5×106km（约16.67 光秒）的等边三角形，依靠三颗卫星间的激光链路实现低频引力波的观测[4-5]。2015 年12 月，欧洲航天局成功发射了一颗技术验证星LISA Pathfinder，验证了检验质量块的无拖曳控制技术的可行性[5-6]。2018 年，基于激光干涉测距的GRACE Follow-On 高精度地球重力场测量卫星发射成功，并在约220 公里的低跟踪双星编队间实现了纳米级的星间相对距离测量目标，验证了LISA 项目的部分关键技术[7]。最近几年，为了抢占引力波探测科学高地，中国科学院[8-12]和中山大学[13-15]也相应开启了天基引力波探测研究项目，分别命名为“太极”和“天琴”计划，并在2019 年相继成功发射了一颗技术验证星。……