Código fuente del índice Tai Chi
Explorando el universo desconocido y compitiendo por la detección de ondas gravitacionales espaciales, no hace mucho, el satélite experimental de tecnología de microgravedad, el primer satélite del Proyecto Estratégico de Ciencia y Tecnología Líder en Ciencia Espacial de la Academia de Ciencias de China, logró con éxito lanzado en el Centro de Lanzamiento de Satélites de Jiuquan. Como el primer satélite experimental de tecnología de detección de ondas gravitacionales espaciales de China, el satélite recientemente fue nombrado oficialmente "Taiji-1".
¿Por qué ir al espacio lejano para sentir el "pulso" del ritmo del universo? ¿Cuáles son los aspectos más destacados de "Tai Chi No. 1" y cómo es su funcionamiento actual? Escuche a los expertos.
Ondulaciones espacio-temporales
Las ondas gravitacionales son uno de los temas candentes de la investigación científica de los últimos años. ¿Por qué los científicos de todo el mundo están tan obsesionados con esto? La historia comienza con el Modelo Estándar de Física de partículas.
En 2012, los científicos descubrieron la misteriosa partícula de Dios en experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones, lo que marcó un nuevo nivel en nuestra comprensión humana de las partículas fundamentales. Hasta ahora se han encontrado las 61 partículas elementales predichas por el modelo estándar de física de partículas, quedando sólo una: el gravitón.
Los científicos creen que las ondas gravitacionales están compuestas de gravitones, que son la clave para demostrar el origen del Big Bang.
Actualmente, la materia visible para los humanos representa menos del 5% de todo el universo, que es materia que se puede explicar mediante el modelo estándar de física de partículas, más del 95% es materia oscura y energía oscura; todavía están envueltos en un velo de misterio. "Oscuridad", como su nombre indica, significa "invisible" y no puede responder a la luz ni al método de detección actual: las ondas electromagnéticas.
Pero las ondas gravitacionales son la clave para alejar las dos "nubes oscuras" de la física del siglo XXI para comprender el origen del universo, porque tanto la materia oscura como la energía oscura implican efectos gravitacionales y efectos gravitacionales.
La imagen muestra a Wu Yueliang, científico jefe de Taiji-1
En resumen, "las ondas gravitacionales proporcionan una nueva e importante ventana para observar el universo. Son diferentes de las ondas electromagnéticas y se han convertido en una parte importante de la exploración humana" y nuevas formas y herramientas para comprender el universo", afirmó Xiang Libin, vicepresidente de la Academia de Ciencias de China.
¿Qué son las ondas gravitacionales? Es una onda material producida por el movimiento violento y el cambio de materia y energía. Si se utiliza el agua como metáfora del espacio-tiempo, las ondas gravitacionales pueden verse como ondas en el espacio-tiempo.
Hace un siglo, Einstein predijo la existencia de ondas gravitacionales basándose en su teoría general de la relatividad. Cien años después, los científicos captaron con éxito este maravilloso fenómeno.
En febrero de 2016, el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser de EE. UU. anunció que el detector LIGO observó el impacto de ondas gravitacionales a las 5:51, hora del este de EE. UU., en septiembre de 2015. Fue la primera vez que los humanos escucharon saludos desde el espacio exterior: las ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos agujeros negros. También fue la primera vez que las ondas gravitacionales se observaron directamente en la Tierra. El Premio Nobel de Física de 2017 fue otorgado a tres científicos que hicieron contribuciones decisivas a este respecto: Rainer Weiss, Barry Barish y Kip Thorne.
“El descubrimiento de las ondas gravitacionales permite a los humanos detectar escalas astronómicas y nuevos fenómenos celestes que no pueden observarse basándose en ondas electromagnéticas”. de Ciencias.
Desafío de detección
Conquistar las estrellas y el mar está destinado a tener altibajos.
En la vida diaria, la aceleración de cualquier material puede producir ondas gravitacionales, pero las ondas gravitacionales generadas son muy débiles.
Wu Yueliang hizo una vez una analogía: si una mancuerna con una masa de 2000 kilogramos gira rápidamente a una velocidad angular de 1000 revoluciones por segundo y su longitud es de 1 metro, entonces la amplitud de las ondas gravitacionales que Lo que puedo sentir es que a una distancia de 3 metros de Yaling, solo hay -10 elevado a 35. Este valor es tan pequeño que ni siquiera nuestros instrumentos científicos más sensibles pueden medirlo.
Sabiendo que hay tigres en las montañas, están más dispuestos a ir a las montañas. Posteriormente, los físicos experimentales encontraron una solución: observar el efecto de las ondas gravitacionales a través de objetos más masivos, como la fusión de agujeros negros. Sin embargo, incluso si un objeto masivo como un agujero negro se fusiona, la señal de onda gravitacional que produce será extremadamente débil cuando viaje a través del vasto universo hasta la Tierra.
¿Qué tan débil? Wu Yueliang dio un ejemplo. Dos estrellas de neutrones con una masa 1,5 veces mayor que la del Sol giran y se fusionan a una velocidad de 1.000 revoluciones por segundo. La intensidad de la onda gravitacional que se puede detectar a una distancia de 10 elevado a 23 es 10 elevado a menos 20. Esta es la detección actual de ondas gravitacionales terrestres. La sensibilidad del dispositivo. De esto se desprende la dificultad de detección.
Las dificultades no pueden detener la determinación de la humanidad de explorar el universo.
1. En la década de 1990, la NASA comenzó a participar en el programa de detección de ondas gravitacionales espaciales de la Agencia Espacial Europea y cooperó en el desarrollo del proyecto Lisa. Las fuentes de ondas gravitacionales que se planea detectar son sistemas estelares binarios, fusiones de agujeros negros binarios supermasivos y agujeros negros binarios de alta proporción de masa, captura de agujeros negros de masa estelar por agujeros negros masivos en núcleos de galaxias ordinarias y explosiones de ondas binarias ultracompactas. estrellas y cuerpos celestes masivos.
Este es el programa de detección de ondas gravitacionales espaciales más maduro del mundo en más de 20 años. Según el plan, lanzarán el satélite en 2034 y completarán la investigación de tecnologías clave en 2021.
2. Posteriormente, Estados Unidos propuso el "Plan Post-Einstein", que incluía dos planes, uno de los cuales era el "Big Bang Observer". 12 naves espaciales formaban tres formaciones, y las naves espaciales de cada formación. La distancia del detector es de 500.000 kilómetros y se centra en detectar ondas gravitacionales con una frecuencia media de 0,1-1,0 Hz entre el suelo y Lisa.
3. Japón ha propuesto el plan decigo en una banda de frecuencia similar. La distancia entre las naves espaciales es de unos 1.000 kilómetros y su rango de frecuencia sensible es de aproximadamente 0,1-1,0 Hz.
Como se mencionó anteriormente, los humanos hemos detectado directamente ondas espacio-temporales en la superficie terrestre. ¿Por qué molestarse en embarcarse en un viaje espacial?
“La masa y la escala de los cuerpos celestes correspondientes a las características de la fuente de onda de la detección de ondas gravitacionales espaciales son mucho mayores que las correspondientes a la detección de ondas gravitacionales terrestres”, dijo Wu Yueliang a los periodistas, a diferencia de las terrestres. detección, se puede detectar en el espacio Las señales de ondas gravitacionales en las bandas de frecuencia media a baja pueden detectar fuentes de ondas gravitacionales con cuerpos celestes más grandes y distancias mayores, y revelar procesos astrofísicos más ricos.
“La detección espacial cubre la banda de frecuencia con las fuentes de ondas gravitacionales más ricas y tiene una gran cantidad de fuentes de ondas celestes detectables, que se pueden observar durante mucho tiempo, lo que favorece la determinación de la ubicación del La fuente de ondas gravitacionales terrestres no puede detectar ondas gravitacionales por debajo de 10 Hz, lo que hace que sus objetivos de investigación sean extremadamente limitados", explicó Wu Yueliang.
Sabiduría China
Explora el vasto universo y aporta más sabiduría china, planes chinos y poder chino al progreso de la civilización humana. China también está tomando medidas. El "Proyecto Tai Chi" para la detección de ondas gravitacionales espaciales demostrado en 2008 es un ejemplo representativo.
Según Wu Yueliang, las ondas gravitacionales de diferentes frecuencias reflejan diferentes ciclos del universo y diferentes procesos astrofísicos. La banda de frecuencia de detección del "Proyecto Tai Chi" cubre básicamente la banda de frecuencia de detección de ondas gravitacionales de ESA LISA, pero tiene una mayor sensibilidad de detección que LISA en la banda de frecuencia. Los objetos de investigación de detección de ondas gravitacionales espaciales de China incluyen fuentes de ondas gravitacionales extremadamente ricas de cerca a lejos, de pequeñas a grandes, y el rango de detección puede cubrir todo el espacio.
La imagen muestra Tai Chi nº 1.
El ideal es muy pleno, pero la realidad es muy flaca. Dado que la señal de las ondas gravitacionales es extremadamente débil, la implementación de la detección de ondas gravitacionales en el espacio es un gran desafío y requiere superar los límites de la tecnología actual de control y medición de precisión humana. Las tecnologías principales involucradas incluyen interferómetros láser de alta precisión y ultraestables, sensores de referencia de gravedad, control sin resistencia de ultra alta precisión, propulsores micro-Newton, plataformas satelitales ultraestables y ultraestáticas, etc.
Según el "Plan Tai Chi", nuestro país ha determinado la estrategia de desarrollo y la hoja de ruta de "una estrella, doble estrella, tres estrellas" y "tres pasos". En agosto de 2018, se estableció el proyecto de satélite único "Plan Tai Chi" y se lanzó el primer paso de los "tres pasos": el lanzamiento del satélite "Tai Chi-1" para verificar la viabilidad en órbita y la implementación del tecnología central.
La imagen muestra el diagrama de simulación del Tai Chi nº 1.
El tiempo dará sus frutos. El equipo de investigación científica "Tai Chi 1" asumió como misión lograr un gran avance de cero a uno, hizo todo lo posible, superó las dificultades, se atrevió a abrirse paso y colaboró en la innovación, completando la tarea de desarrollo del satélite en menos de un año. . El 31 de agosto de 2065, el primer satélite experimental de tecnología de detección de ondas gravitacionales espaciales de mi país, el Satélite Experimental de Tecnología de Microgravedad, fue lanzado con éxito en el Centro de Lanzamiento de Satélites de Jiuquan.
"La prueba en órbita del satélite se desarrolla de forma ordenada según lo previsto. Por el momento, el satélite se encuentra en condiciones normales y los resultados de la prueba son normales. La primera fase de la misión de prueba en órbita se ha completado con éxito". Wu Yueliang presentó, "Tai Chi-1". El lanzamiento exitoso y la finalización exitosa de la primera etapa de la misión de prueba en órbita marcaron el primer paso en la detección de ondas gravitacionales espaciales de China. Los resultados experimentales verificaron la exactitud de la ruta técnica y la viabilidad del plan "Plan Tai Chi".
Proyecto Tai Chi
Según las pruebas en órbita y los resultados del análisis de datos de Tai Chi-1 Fase 1:
1. el interferómetro láser alcanza una magnitud de 100 picómetros, equivalente al diámetro de un átomo;
2. La precisión de medición del sensor de referencia de gravedad alcanza una décima parte de la aceleración de la gravedad terrestre, lo que significa que la aceleración generada por una hormiga empujando el satélite Taiji-1 es Medible;
3 La resolución de empuje de la microhélice alcanza el nivel submicro-Newton, lo que significa que el empuje es una diezmilésima parte del peso de una semilla de sésamo se puede afinar.
Una precisión de medición tan exigente es precisamente para encontrar rastros de ondas gravitacionales. Según el principio de medición de ondas gravitacionales, cuando una onda gravitacional pasa, provoca un cambio en la trayectoria óptica entre las dos masas de prueba suspendidas libremente. Los científicos miden este cambio de trayectoria óptica con un interferómetro láser para invertir la señal de la onda gravitacional.
Sin embargo, debido a que la señal de la onda gravitacional es extremadamente débil, causará dos problemas.
En primer lugar, el cambio en la trayectoria óptica causado por las ondas gravitacionales es muy pequeño. Incluso a una distancia de un millón de kilómetros, el cambio entre dos partículas causado por ondas gravitacionales es sólo del orden de picómetros, por lo que la precisión de medición del interferómetro láser es extremadamente alta.
En segundo lugar, si la masa de prueba está expuesta al espacio exterior y es interferida por la presión de la luz solar, el viento solar u otros rayos cósmicos, la masa de prueba producirá una aceleración perturbadora, generando así ruido de desplazamiento, que puede ahogarse fácilmente. la señal de la onda gravitacional. Por lo tanto, los científicos protegerán la masa de prueba en el centro del satélite sin contacto físico directo con el satélite, para que no sea perturbada por fuerzas de interferencia externas, y la masa de prueba estará en un estado de deriva libre.
Pero de esta forma, las perturbaciones externas actuarán sobre el satélite, provocando perturbaciones de desplazamiento en el satélite. Con el tiempo, el satélite y la masa de prueba chocarán, destruyendo el estado de deriva libre de la masa de prueba.
¿Qué hacemos? Los científicos siempre utilizan sensores de desplazamiento para leer los cambios de desplazamiento entre el satélite y la masa de prueba y los transmiten a los micropropulsores instalados en el satélite. El microempuje genera un empuje preciso y estable para compensar las fuerzas perturbadoras externas sobre el satélite, de modo que la masa de prueba y el desplazamiento entre satélites estén siempre equilibrados. Esta es una tecnología de control de espacio sin arrastre. Entre ellos, el sensor de masa y desplazamiento de prueba constituye el sensor de referencia de gravedad.
La imagen muestra a Wang Jianyu, ingeniero jefe del proyecto satelital "Taiji-1", presentando la situación relevante de Taichi-1.
"'Taiji-1' ha alcanzado la más alta interferometría láser espacial de precisión en mi país hasta ahora, realizó con éxito la primera prueba de tecnología de control sin resistencia en órbita de mi país y logró la primera verificación en órbita de la tecnología de propulsión eléctrica Hall de modo dual y iones de radiofrecuencia Weniu en el mundo. ", sentando las bases para que mi país tome la iniciativa en lograr avances en el campo de la detección de ondas gravitacionales espaciales", dijo Wang Jianyu, académico de la Academia de Ciencias de China e ingeniero jefe del proyecto del satélite Taiji-1.
Y esto es sólo el comienzo. Según Wang Jianyu, pueden ser necesarios otros diez años para cumplir los requisitos técnicos para la detección de ondas gravitacionales en el espacio. Por ejemplo, basándose en la tecnología existente, la precisión de la medición del desplazamiento de los interferómetros láser y la precisión del empuje de los micropropulsores debería mejorarse en un orden de magnitud, y la precisión de la medición de los sensores de referencia de gravedad debería mejorarse en seis órdenes de magnitud.
“Para medir con precisión el cambio de desplazamiento de una décima parte del tamaño de un átomo entre dos masas de prueba separadas por tres millones de kilómetros, la aceleración de la perturbación debe controlarse a un nivel de una milmillonésima parte de la aceleración gravitacional. Romper con más tecnologías clave", dijo Wu Yueliang.
Ahora todo avanza en la dirección establecida. Según el "Plan Tai Chi", mi país lanzará la estrella doble "Tai Chi 2" después de 2023 para verificar la mayoría de las tecnologías clave de alto índice en órbita, alrededor de 2033, lanzará la estrella de tres estrellas "Tai Chi 3"; para detectar varias ondas gravitacionales y comprender la gravedad del universo.
Economic Daily Classic Science Studio
Reportero: Shenhui
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