“太一”任务：相对论基本天文学实验
2019/8/16 16:52:00邓雪梅 中国科学院紫金山天文台

     “太一生水。水反辅太一，是以成天。天反辅太一，是以成地......天地者，太一之所生也。是故太一藏于水，行于时。周而又始，以己者为万物母......"郭店楚简《太一生水》以我国古代特有的朴素哲学思想诠释了古人对宇宙万物起源的认识，其中“太一”指的是宇宙万物的本源、本体。

     中国科学院紫金山天文台邓雪梅副研究员提出的一项名为“太一”的空间科学任务，希望通过相对论基本天文学实验为引力相互作用及其起源等基本问题提供答案。

    

     郭店楚简《太一生水》| 图源：网络

     引力探索之路

     引力——作为四大基本作用力之一 ——维系着人类地球、太阳系天体、系外行星乃至整个宇宙的运转。长久以来，科学家们探索引力相互作用及其起源的脚步从未停止。

     1687年，牛顿的《自然哲学的数学原理》问世，其中讲述了牛顿时空观下的引力理论。之后的几个世纪里，牛顿力学与观测结果符合得很好，特别是1846年，法国天文学家乌尔班·勒维耶(Urbain Le Verrier)根据牛顿力学计算发现了海王星的存在。

    

     1846年勒维耶(Le Verrier)根据牛顿力学计算发现海王星：

     计算预言的位置(X)与实际位置只偏离1° | 图源：网络

     然而，19世纪末20世纪初，正当科学家们认为已经揭开了引力相互作用面纱之时，牛顿力学的上空出现了一朵乌云。

     在考虑了太阳系所有大行星摄动后，勒维耶发现水星近日点进动的观测数据与牛顿的引力理论不符，仍有大约每世纪43角秒的残余进动无法用理论解释。即便是之后，科学家们考虑了太阳的非球形结构对水星近日点进动的影响，也无法解释这一残余进动。

     1916年，爱因斯坦发表了《广义相对论基础》，这标志着广义相对论的建立。与牛顿的引力理论不同，爱因斯坦认为引力是物质的存在造成了时空弯曲的一种表现，这种弯曲程度可以通过一个几何量——度规——来描述。

     爱因斯坦根据广义相对论推导了水星近日点进动，发现其数值恰好与观测数据相符。此后，广义相对论预言的光线偏折、引力时间延迟以及引力红移现象均先后得到了实验证实。可以说，爱因斯坦的理论回答了长期以来关于引力是如何作用的疑问。

     但是现在看来，广义相对论并没有回答关于引力的所有问题。

    

     1919年爱丁顿和戴森在日全食时观测到太阳附近光线所发生的偏折,由此验证了广义相对论 | 图源：网络

     一方面，引力支配着宏观世界，其他三种基本作用力支配着微观世界。这种微观世界由量子理论来描述。时至今日，引力同其他三种基本作用力尚无法统一。作为大统一理论，首先需要将引力纳入到量子理论，而广义相对论应当是某种量子引力理论的经典极限，这需要寻找超越广义相对论的新物理。

     另一方面，当今宇宙学存在两个观测现象未能得到解释，即星系的平坦旋转曲线和宇宙加速膨胀。尽管暗物质和暗能量是可能解决这两个观测现象的途径，但长期以来暗物质缺乏直接观测证据，作为暗能量最好候选者的宇宙学常数也存在着与量子场论不相容的问题。为了解决这两个观测现象，也许需要重新认识引力。

     “太一”任务概念简介

     “太一”任务是一个空间科学任务，得到了中科院战略性先导科技专项空间科学预先研究项目支持，主要通过发射一个绕地以及绕月的探测器来完成。

     不同于地面测量，选择空间任务来探索引力相互作用可以让光信号穿越大范围引力场，从而使得微弱的引力信号变得更加可控并易于探测。“太一”标称任务阶段主要实施两大实验：等效原理实验和鞍点实验。

     爱因斯坦等效原理是包含广义相对论在内的引力度规理论基石。目前普遍认为，任何新的量子引力理论都是从打破等效原理开始的。因此，对等效原理开展实验可以让我们寻找超越爱因斯坦理论的新物理。“太一”任务的等效原理实验将在近地和近月空间进行，基于地月大尺度的测量会提高对等效原理检测的精度。

     “太一”任务的鞍点实验是从实证的角度来甄别当今国际上广受关注的引力理论：修改的牛顿动力学(MOND)。通过对引力的修改，MOND无需引入暗物质便很好地解释了星系旋转曲线。在“太一”任务中，当光信号恰好通过日地之间平衡点(鞍点)时，MOND独有的“信号”会显现出来。

    

     左图：“太一任务”概念图(近地、绕月、深空飞行)；

     右图：鞍点实验概念图 | 图源：邓雪梅

     目前，“太一”任务属于预研究阶段。“太一”任务成功与否取决于轨道设计、仿真平台、载荷技术、地面支撑、硬件研发以及经费持续支持等方方面面的影响。

     我们渴望寻求引力理论的答案，即便是否定的结果也并不是坏消息。希望人类揭开谜底的时间不会太久远，也许就在下一个路口：“太一”任务会为此呈现更多的答案和惊喜。

     作者简介

     邓雪梅：紫金山天文台“历算与天文参考系研究团组”副研究员，研究方向为相对论基本天文学。

     撰文：邓雪梅

     编辑：王科超、高娜

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