“太一”任務(wù)：相對論基本天文學實驗

“太一生水。水反輔太一，是以成天。天反輔太一，是以成地......天地者，太一之所生也。是故太一藏于水，行于時。周而又始，以己者為萬物母......"郭店楚簡《太一生水》以我國古代特有的樸素哲學思想詮釋了古人對宇宙萬物起源的認識，其中“太一”指的是宇宙萬物的本源、本體。

中國科學院紫金山天文臺鄧雪梅副研究員提出的一項名為“太一”的空間科學任務(wù)，希望通過相對論基本天文學實驗為引力相互作用及其起源等基本問題提供答案。

郭店楚簡《太一生水》| 圖源：網(wǎng)絡(luò)

引力探索之路

引力——作為四大基本作用力之一 ——維系著人類地球、太陽系天體、系外行星乃至整個宇宙的運轉(zhuǎn)。長久以來，科學家們探索引力相互作用及其起源的腳步從未停止。

1687年，牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》問世，其中講述了牛頓時空觀下的引力理論。之后的幾個世紀里，牛頓力學與觀測結(jié)果符合得很好，特別是1846年，法國天文學家烏爾班·勒維耶（Urbain Le Verrier）根據(jù)牛頓力學計算發(fā)現(xiàn)了海王星的存在。

1846年勒維耶（Le Verrier）根據(jù)牛頓力學計算發(fā)現(xiàn)海王星：計算預言的位置（X）與實際位置只偏離1° | 圖源：網(wǎng)絡(luò)

然而，19世紀末20世紀初，正當科學家們認為已經(jīng)揭開了引力相互作用面紗之時，牛頓力學的上空出現(xiàn)了一朵烏云。

在考慮了太陽系所有大行星攝動后，勒維耶發(fā)現(xiàn)水星近日點進動的觀測數(shù)據(jù)與牛頓的引力理論不符，仍有大約每世紀43角秒的殘余進動無法用理論解釋。即便是之后，科學家們考慮了太陽的非球形結(jié)構(gòu)對水星近日點進動的影響，也無法解釋這一殘余進動。

1916年，愛因斯坦發(fā)表了《廣義相對論基礎(chǔ)》，這標志著廣義相對論的建立。與牛頓的引力理論不同，愛因斯坦認為引力是物質(zhì)的存在造成了時空彎曲的一種表現(xiàn)，這種彎曲程度可以通過一個幾何量——度規(guī)——來描述。

愛因斯坦根據(jù)廣義相對論推導了水星近日點進動，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值恰好與觀測數(shù)據(jù)相符。此后，廣義相對論預言的光線偏折、引力時間延遲以及引力紅移現(xiàn)象均先后得到了實驗證實。可以說，愛因斯坦的理論回答了長期以來關(guān)于引力是如何作用的疑問。

但是現(xiàn)在看來，廣義相對論并沒有回答關(guān)于引力的所有問題。

1919年愛丁頓和戴森在日全食時觀測到太陽附近光線所發(fā)生的偏折,由此驗證了廣義相對論 | 圖源：網(wǎng)絡(luò)

一方面，引力支配著宏觀世界，其他三種基本作用力支配著微觀世界。這種微觀世界由量子理論來描述。時至今日，引力同其他三種基本作用力尚無法統(tǒng)一。作為大統(tǒng)一理論，首先需要將引力納入到量子理論，而廣義相對論應當是某種量子引力理論的經(jīng)典極限，這需要尋找超越廣義相對論的新物理。

另一方面，當今宇宙學存在兩個觀測現(xiàn)象未能得到解釋，即星系的平坦旋轉(zhuǎn)曲線和宇宙加速膨脹。盡管暗物質(zhì)和暗能量是可能解決這兩個觀測現(xiàn)象的途徑，但長期以來暗物質(zhì)缺乏直接觀測證據(jù)，作為暗能量最好候選者的宇宙學常數(shù)也存在著與量子場論不相容的問題。為了解決這兩個觀測現(xiàn)象，也許需要重新認識引力。

“太一”任務(wù)概念簡介

“太一”任務(wù)是一個空間科學任務(wù)，得到了中科院戰(zhàn)略性先導科技專項空間科學預先研究項目支持，主要通過發(fā)射一個繞地以及繞月的探測器來完成。

不同于地面測量，選擇空間任務(wù)來探索引力相互作用可以讓光信號穿越大范圍引力場，從而使得微弱的引力信號變得更加可控并易于探測?！疤弧睒朔Q任務(wù)階段主要實施兩大實驗：等效原理實驗和鞍點實驗。

愛因斯坦等效原理是包含廣義相對論在內(nèi)的引力度規(guī)理論基石。目前普遍認為，任何新的量子引力理論都是從打破等效原理開始的。因此，對等效原理開展實驗可以讓我們尋找超越愛因斯坦理論的新物理?！疤弧比蝿?wù)的等效原理實驗將在近地和近月空間進行，基于地月大尺度的測量會提高對等效原理檢測的精度。

“太一”任務(wù)的鞍點實驗是從實證的角度來甄別當今國際上廣受關(guān)注的引力理論：修改的牛頓動力學（MOND）。通過對引力的修改，MOND無需引入暗物質(zhì)便很好地解釋了星系旋轉(zhuǎn)曲線。在“太一”任務(wù)中，當光信號恰好通過日地之間平衡點（鞍點）時，MOND獨有的“信號”會顯現(xiàn)出來。

左圖：“太一任務(wù)”概念圖（近地、繞月、深空飛行）；右圖：鞍點實驗概念圖 | 圖源：鄧雪梅

目前，“太一”任務(wù)屬于預研究階段?！疤弧比蝿?wù)成功與否取決于軌道設(shè)計、仿真平臺、載荷技術(shù)、地面支撐、硬件研發(fā)以及經(jīng)費持續(xù)支持等方方面面的影響。

我們渴望尋求引力理論的答案，即便是否定的結(jié)果也并不是壞消息。希望人類揭開謎底的時間不會太久遠，也許就在下一個路口：“太一”任務(wù)會為此呈現(xiàn)更多的答案和驚喜。

作者簡介

鄧雪梅：紫金山天文臺“歷算與天文參考系研究團組”副研究員，研究方向為相對論基本天文學。

主編：毛瑞青

編輯：王科超、高娜