“太一”任務(wù)：相對(duì)論基本天文學(xué)實(shí)驗(yàn)

“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(shí)。周而又始，以己者為萬(wàn)物母......"郭店楚簡(jiǎn)《太一生水》以我國(guó)古代特有的樸素哲學(xué)思想詮釋了古人對(duì)宇宙萬(wàn)物起源的認(rèn)識(shí)，其中“太一”指的是宇宙萬(wàn)物的本源、本體。

中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)鄧雪梅副研究員提出的一項(xiàng)名為“太一”的空間科學(xué)任務(wù)，希望通過(guò)相對(duì)論基本天文學(xué)實(shí)驗(yàn)為引力相互作用及其起源等基本問(wèn)題提供答案。

郭店楚簡(jiǎn)《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(yáng)系天體、系外行星乃至整個(gè)宇宙的運(yùn)轉(zhuǎn)。長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)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(xué)的數(shù)學(xué)原理》問(wèn)世，其中講述了牛頓時(shí)空觀下的引力理論。之后的幾個(gè)世紀(jì)里，牛頓力學(xué)與觀測(cè)結(jié)果符合得很好，特別是1846年，法國(guó)天文學(xué)家烏爾班·勒維耶（Urbain Le Verrier）根據(jù)牛頓力學(xué)計(jì)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(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)海王星：計(jì)算預(yù)言的位置（X）與實(shí)際位置只偏離1° | 圖源：網(wǎng)絡(luò)

然而，19世紀(jì)末20世紀(jì)初，正當(dāng)科學(xué)家們認(rèn)為已經(jīng)揭開(kāi)了引力相互作用面紗之時(shí)，牛頓力學(xué)的上空出現(xiàn)了一朵烏云。

在考慮了太陽(yáng)系所有大行星攝動(dòng)后，勒維耶發(fā)現(xiàn)水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)與牛頓的引力理論不符，仍有大約每世紀(jì)43角秒的殘余進(jìn)動(dòng)無(wú)法用理論解釋。即便是之后，科學(xué)家們考慮了太陽(yáng)的非球形結(jié)構(gòu)對(duì)水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)的影響，也無(wú)法解釋這一殘余進(jìn)動(dòng)。

1916年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》，這標(biāo)志著廣義相對(duì)論的建立。與牛頓的引力理論不同，愛(ài)因斯坦認(rèn)為引力是物質(zhì)的存在造成了時(shí)空彎曲的一種表現(xiàn)，這種彎曲程度可以通過(guò)一個(gè)幾何量——度規(guī)——來(lái)描述。

愛(ài)因斯坦根據(jù)廣義相對(duì)論推導(dǎo)了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值恰好與觀測(cè)數(shù)據(jù)相符。此后，廣義相對(duì)論預(yù)言的光線偏折、引力時(shí)間延遲以及引力紅移現(xiàn)象均先后得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)。可以說(shuō)，愛(ài)因斯坦的理論回答了長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于引力是如何作用的疑問(wèn)。

但是現(xiàn)在看來(lái)，廣義相對(duì)論并沒(méi)有回答關(guān)于引力的所有問(wèn)題。

1919年愛(ài)丁頓和戴森在日全食時(shí)觀測(cè)到太陽(yáng)附近光線所發(fā)生的偏折,由此驗(yàn)證了廣義相對(duì)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(lái)描述。時(shí)至今日，引力同其他三種基本作用力尚無(wú)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(duì)論應(yīng)當(dāng)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(duì)論的新物理。

另一方面，當(dāng)今宇宙學(xué)存在兩個(gè)觀測(cè)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(gè)觀測(cè)現(xiàn)象的途徑，但長(zhǎng)期以來(lái)暗物質(zhì)缺乏直接觀測(cè)證據(jù)，作為暗能量最好候選者的宇宙學(xué)常數(shù)也存在著與量子場(chǎng)論不相容的問(wèn)題。為了解決這兩個(gè)觀測(cè)現(xiàn)象，也許需要重新認(rèn)識(shí)引力。

“太一”任務(wù)概念簡(jiǎn)介

“太一”任務(wù)是一個(gè)空間科學(xué)任務(wù)，得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)空間科學(xué)預(yù)先研究項(xiàng)目支持，主要通過(guò)發(fā)射一個(gè)繞地以及繞月的探測(cè)器來(lái)完成。

不同于地面測(cè)量，選擇空間任務(wù)來(lái)探索引力相互作用可以讓光信號(hào)穿越大范圍引力場(chǎng)，從而使得微弱的引力信號(hào)變得更加可控并易于探測(cè)?！疤弧睒?biāo)稱任務(wù)階段主要實(shí)施兩大實(shí)驗(yàn)：等效原理實(shí)驗(yàn)和鞍點(diǎn)實(shí)驗(yàn)。

愛(ài)因斯坦等效原理是包含廣義相對(duì)論在內(nèi)的引力度規(guī)理論基石。目前普遍認(rèn)為，任何新的量子引力理論都是從打破等效原理開(kāi)始的。因此，對(duì)等效原理開(kāi)展實(shí)驗(yàn)可以讓我們尋找超越愛(ài)因斯坦理論的新物理?！疤弧比蝿?wù)的等效原理實(shí)驗(yàn)將在近地和近月空間進(jìn)行，基于地月大尺度的測(cè)量會(huì)提高對(duì)等效原理檢測(cè)的精度。

“太一”任務(wù)的鞍點(diǎn)實(shí)驗(yàn)是從實(shí)證的角度來(lái)甄別當(dāng)今國(guó)際上廣受關(guān)注的引力理論：修改的牛頓動(dòng)力學(xué)（MOND）。通過(guò)對(duì)引力的修改，MOND無(wú)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(dāng)光信號(hào)恰好通過(guò)日地之間平衡點(diǎn)（鞍點(diǎn)）時(shí)，MOND獨(dú)有的“信號(hào)”會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。

左圖：“太一任務(wù)”概念圖（近地、繞月、深空飛行）；右圖：鞍點(diǎn)實(shí)驗(yàn)概念圖 | 圖源：鄧雪梅

目前，“太一”任務(wù)屬于預(yù)研究階段?！疤弧比蝿?wù)成功與否取決于軌道設(shè)計(jì)、仿真平臺(tái)、載荷技術(shù)、地面支撐、硬件研發(fā)以及經(jīng)費(fèi)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(kāi)謎底的時(shí)間不會(huì)太久遠(yuǎn)，也許就在下一個(gè)路口：“太一”任務(wù)會(huì)為此呈現(xiàn)更多的答案和驚喜。

作者簡(jiǎn)介

鄧雪梅：紫金山天文臺(tái)“歷算與天文參考系研究團(tuán)組”副研究員，研究方向?yàn)橄鄬?duì)論基本天文學(xué)。

主編：毛瑞青

編輯：王科超、高娜