ASTROD空间引力波探测优化方案：ASTROD-GW.doc

中国宇航学会深空探测技术专业委员会第六届学术会议论文集(p.000)2009年0月00-00日北京

ASTROD空间引力波探测优化方案:ASTROD-GW自然科学基金(批准号:10778710,10875171)资助项目

倪维斗1，2倪维斗（1944-），男，研究员，专业方向：基础天文、基础物理与深空探测，HYPERLINK"mailto:[e-mail]"[e-mail]，025-83332098，（Fax）025-83332200
门金瑞1梅晓红1雷成明1董瑶1A.PulidoPatón1董鹏1王刚1黄超光3龚雪飞3张杨4王海涛5彭秋和6曹军威7王立8侯欣宾8张庆祥8张晓敏9HansjörgDittus10JianGuo11
ClausLämmerzahl12DianaShaul13TimothySumner13
1.中国科学院紫金山天文台，江苏省南京市北京西路2号，210008；2.中国科学院国家天文台，北京市大屯路甲20号，100012；3.中国科学院高能物理研究所，北京市石景山区玉泉路19号,100049；4.中国科技大学，安徽省合肥市金寨路96号，230026；5.南京航空航天大学测量与控制工程系，江苏省南京市御道街29号，210016；6.南京大学，江苏省南京市汉口路22号，210093；7.清华大学，北京市海淀区，100084；8.中国空间技术研究院，北京市海淀区友谊路104号，100094；9.航天东方红卫星有限公司，北京市海淀区友谊路104号，100094；10.InstituteofSpaceSystems,GermanAerospaceCenter,Robert-Hooke-Strasse7,28359Bremen,Germany；11.FacultyofAerospaceEngineering,TechnicalUniversityofDelft,Postbus5,2600AA,Delft,TheNetherlands；12.CentreofAppliedSpaceTechnologyandMicrogravity(ZARM),UniversityofBremen,AmFallturm,28359Bremen,Germany；13.HighEnergyPhysicsGroup,BlackettLaboratory,ImperialCollege,PrinceConsortRoad,LondonSW72AZ,UK
摘要引力波的存在是广义相对论的直接结果，也是所有具有限传播速度的引力理论的必然结果，1970年以前在引力波探测方面进展比较缓慢。1970年后探测灵敏度有了量级的改进，陆续有多个地面激光干涉引力波探测方案相继实施，如TAMA、GEO、LIGO、VIRGO等。正在筹划中的空间计划有LISA,ASTROD,DECIGO等。激光天文动力学引力波探测任务ASTROD-GW是ASTROD专注于探测引力波的计划。ASTROD-GW引力波探测计划的三个航天器选在地球与太阳的拉格朗日点L3、L4、L5附近，采用连续激光进行相互干涉测距以探测引力波，干涉臂长2亿6千万公里，探测的引力波波长可达LISA的52倍，对范围较大、频率较低的天体运动产生的引力波较为敏感。ASTROD-GW的科学目标是探测超大质量黑洞（105-109M๏）、中等质量黑洞（102-105M๏）、极端质量比黑洞旋进（10–103M๏黑洞旋进106-108M๏黑洞）、白矮星、中子星和恒星质量黑洞所组成的紧密双星产生的引力波以及元初引力波、弦和玻色星等。本文综述ASTROD-GW空间引力波探测计划的基本方案和科学目标。
主题词激光天文动力学，引力波探测，深空探测

1.引言
引力波在时空中传播形成时空涟漪。这些时空涟漪起源于宇宙间剧烈的天体活动过程。其探测与电磁波天体观测相辅，是探讨紧致天体，宇宙大范围的天体动、脉现象，以及宇宙极早期现象的重要方法。爱因斯坦在1915年提出广义相对论后，随即在两篇论文中预测引力波的存在和估计其强度。引力波的存在是广义相对论的直接结果，也是所有具有限传播速度的引力理论的必然结果。
宇宙空间传播至太阳系的引力波是极微弱的。在相对论中，对两个质量为M1和M2、即其Schwarzschild半径为R1和R2的双星，其引力波传播到观测者位置所产生的应变的数量级为
h≈R1R2/dD
其中d为双星之间的距离、D为双星至观测者的距离。对于中子星、或黑洞，d可以是Schwarzschild半径的数量级，因此估计可更简便：
h≤R/D
对于2M๏的黑洞R=3km,在Virgo超星系集团范围的距离下，D=108l.y.，传至太阳系的应变约为h=3×10-21，需要极灵敏的引力波探