引力波是爱因斯坦广义相对论中非常重要的一个预言。引力波探测不仅是对爱因斯坦广义相对论直接精确的检验, 也对物理学和天文学等基础学科未来的发展有着十分重大的意义。引力波探测的核心传感器是检验质量，宇宙线高能粒子能够穿透航天器外层屏蔽使其带电。由于引力波探测航天器需要在百万公里量级的距离下实现皮米量级的引力波信号测量，处于自由悬浮状态的孤立带电检验质量在周围电极库仑力和磁场洛伦兹力的干扰下，产生残余加速度噪声对空间引力波科学探测目标造成严重影响。在太极计划中，需要探索银河宇宙线和太阳宇宙线对检验质量的充电机制与变化规律，研究结果将为空间引力波探测任务加速度噪声评估、电荷管理系统的设计和在轨运行提供依据。
图1: 太极轨道示意图
中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室空间天气效应中心研究团队的博士研究生韩瑞龙、蔡明辉副研究员和韩建伟研究员等人，通过融合太极计划惯性传感器和LISA航天器结构模型构建了复杂航天器仿真模型，针对背景银河宇宙射线质子、3He和4He及五次典型太阳质子事件，采用蒙特卡洛仿真方法开展太极复杂模型的检验质量充电机理研究，揭示了不同种类、能量的宇宙线高能粒子对检验质量的充电机制和规律，并与等效简化几何模型仿真结果进行比对研究。同时，为了直接评估模拟结果与实际结果的差异，利用怀柔30-50 MeV质子回旋加速器设施开展检验质量充电验证研究。
研究表明，背景银河宇宙线短时间内造成的充电加速度噪声相对较小，至少需累积近百小时才能达到影响科学探测目标的电荷阈值10-12 C。对于强度在S3等级以下的太阳质子事件，检验质量最快可在10分钟量级左右达到电荷阈值。当遭受类似1989年9月29日的超强太阳质子事件时，由于充电电荷波动引起的有效充电率可达105 e/s，是引力波探测允许有效充电率阈值的10倍。此外，研究人员还设计了地面原理验证实验用来验证仿真模拟的准确性。实验结果表明，仿真结果与地面单能质子充电实验结果误差小于10%，模型预测结果准确、可信。
图2: (a) 太极复杂航天器模型；(b) 太极惯性传感器模型
图3: 太阳极小单个粒子充电分布(a) TM1；(b) TM2
图4: 质子加速器实验现场图
表1: 质子充电的实验与仿真结果
该成果得到国家重点研发计划项目的资助，相关成果已发表在国际知名期刊Space Weather上。
Citation：Han, R., Cai, M., Yang, T., Xu, L., Xia, Q., Jia, X., et al. (2024). Study on test-mass charging for Taiji gravitational wave observatory. Space Weather, 22, e2023SW003724. https://doi.org/10.1029/2023SW003724
（供稿：天气室）
