引力波是愛因斯坦廣義相對論中非常重要的一個預(yù)言。引力波探測不僅是對愛因斯坦廣義相對論直接精確的檢驗, 也對物理學(xué)和天文學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科未來的發(fā)展有著十分重大的意義。引力波探測的核心傳感器是檢驗質(zhì)量，宇宙線高能粒子能夠穿透航天器外層屏蔽使其帶電。由于引力波探測航天器需要在百萬公里量級的距離下實現(xiàn)皮米量級的引力波信號測量，處于自由懸浮狀態(tài)的孤立帶電檢驗質(zhì)量在周圍電極庫侖力和磁場洛倫茲力的干擾下，產(chǎn)生殘余加速度噪聲對空間引力波科學(xué)探測目標(biāo)造成嚴(yán)重影響。在太極計劃中，需要探索銀河宇宙線和太陽宇宙線對檢驗質(zhì)量的充電機(jī)制與變化規(guī)律，研究結(jié)果將為空間引力波探測任務(wù)加速度噪聲評估、電荷管理系統(tǒng)的設(shè)計和在軌運(yùn)行提供依據(jù)。
圖1: 太極軌道示意圖
中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點(diǎn)實驗室空間天氣效應(yīng)中心研究團(tuán)隊的博士研究生韓瑞龍、蔡明輝副研究員和韓建偉研究員等人，通過融合太極計劃慣性傳感器和LISA航天器結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建了復(fù)雜航天器仿真模型，針對背景銀河宇宙射線質(zhì)子、3He和4He及五次典型太陽質(zhì)子事件，采用蒙特卡洛仿真方法開展太極復(fù)雜模型的檢驗質(zhì)量充電機(jī)理研究，揭示了不同種類、能量的宇宙線高能粒子對檢驗質(zhì)量的充電機(jī)制和規(guī)律，并與等效簡化幾何模型仿真結(jié)果進(jìn)行比對研究。同時，為了直接評估模擬結(jié)果與實際結(jié)果的差異，利用懷柔30-50 MeV質(zhì)子回旋加速器設(shè)施開展檢驗質(zhì)量充電驗證研究。
研究表明，背景銀河宇宙線短時間內(nèi)造成的充電加速度噪聲相對較小，至少需累積近百小時才能達(dá)到影響科學(xué)探測目標(biāo)的電荷閾值10-12 C。對于強(qiáng)度在S3等級以下的太陽質(zhì)子事件，檢驗質(zhì)量最快可在10分鐘量級左右達(dá)到電荷閾值。當(dāng)遭受類似1989年9月29日的超強(qiáng)太陽質(zhì)子事件時，由于充電電荷波動引起的有效充電率可達(dá)105 e/s，是引力波探測允許有效充電率閾值的10倍。此外，研究人員還設(shè)計了地面原理驗證實驗用來驗證仿真模擬的準(zhǔn)確性。實驗結(jié)果表明，仿真結(jié)果與地面單能質(zhì)子充電實驗結(jié)果誤差小于10%，模型預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確、可信。
圖2: (a) 太極復(fù)雜航天器模型；(b) 太極慣性傳感器模型
圖3: 太陽極小單個粒子充電分布(a) TM1；(b) TM2
圖4: 質(zhì)子加速器實驗現(xiàn)場圖
表1: 質(zhì)子充電的實驗與仿真結(jié)果
該成果得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目的資助，相關(guān)成果已發(fā)表在國際知名期刊Space Weather上。
Citation：Han, R., Cai, M., Yang, T., Xu, L., Xia, Q., Jia, X., et al. (2024). Study on test-mass charging for Taiji gravitational wave observatory. Space Weather, 22, e2023SW003724. https://doi.org/10.1029/2023SW003724
（供稿：天氣室）
