引力波是爱因斯坦“广义相对论”最重要的预言,引力波探测是当代物理学重要的前沿领域之一。以引力波探测为基础的引力波天文学是一门正在崛起的新兴交叉科学,由于引力辐射独特的物理机制和特性,使得引力波天文学研究的范围更广泛﹑更全面,物理分析更精确﹑更深刻。它以全新的探测理念和探测方法揭示宇宙的奥秘,探寻未知的天体和物质。它能提供其他天文观测方法不可能获得的信息,加深人们对宇宙中天体结构的认识,是继以电磁辐射(包括射电﹑红外线﹑可见光﹑紫外线﹑X射线和伽玛射线)为探测手段的传统天文学之后,人类观测宇宙的一个新窗口。对研究宇宙的起源和进化,拓展天文学的研究领域都有极其重要的意义。爱因斯坦的广义相对论是20世纪人类在自然科学领域取得的最辉煌的成就之一。它开创了近代物理研究的新纪元。
在广义相对论中 , 时空几何并不仅仅是物体运动的背景 , 它有着自身的动力学内涵 , 描述引力源所产生的引力场 . 在动态的时空动力学演化中 , 时空结构的改变会产生相应的几何曲率振荡行为 , 这种曲率振荡在引力源外部以波动的形式沿着类光方向在时空中转播 , 即我们所理解的引力波[1–3] .不同于对相对论其他著名预言的验证 , 对引力波的探测不仅仅是对广义相对论正确性的检验 , 同时也是对广义相对论的基本物理思想 “ 动力学时空 ” 的直接实验检验 , 并为人类提供了一条探索宇宙早期至今其中高能动力学过程的途径。
由于引力相互作用本身极其微弱 , 引力波探测对人类精密测量的能力提出了极端挑战。1974 年 ,Hulse 和 Taylor 等人发现了脉冲双星 PSRB1913+16, 该双星脉冲周期变短的观测值非常接近于广义相对论预言的引力辐射引起双星轨道变小的理论值 , 第一次间接验证了广义相对论对引力波的预言 。 2016 年 2 月 11 日 , 经过几代人三十多年的不懈努力和技术及装置上的一次次更新 , 美国地面大型激光干涉引力波探测器 LIGO 项目科学合作组织 宣布在第二代地面干涉仪开机运行后不久 (2015 年 9 月 14 日 )，人类便第一次探测到了引力波信号。 LIGO 直接捕捉到的这第一个引力波信号， 来自于 410 Mpc 处的双黑洞并合系统 , 在这个并合过程中 , 一个 36 倍太阳质量的黑洞与一个 29 太阳质量的黑洞并合 , 经过激烈的引力辐射后 , 稳定成为一个 62 太阳质量的黑洞。这是人类对引力波的第一次直接探测 , 更是直接观测到了广义相对论爱因斯坦场方程数值求解所精确预言的双黑洞并合的极端动力学过程。
LIGO 对引力波的首次直接探测预示着人类已经可以开始通过探测引力波来探索致密和高能天体物理过程， 引力波探测的科学内容已从对广义相对论验证变成通过引力波探测来认识天体物理现象，为人类认识宇宙结构演化、研究相对论天体物理中黑洞和其他致密天体的动力学过程和演化提供一条不可取代的途径。
天体来源的引力波按照其质量等特征量的改变具有非常宽广的频段 , 从小于微赫兹至千赫兹跨越约 10 个量级。空间与地面激光干涉引力波探测项目的主要区别在于测量频段和目标波源的不同，地面引力波探测由于受到地表振动、重力梯度等噪声以及地面试验尺度的限制 ， 探测频段被限期在 10 Hz 以上 , 引力波源主要包括几十至几百太阳质量黑洞的并合系统、双中子星并合系统等等 , 由于波源的特征质量相对较小 , 可探测的范围被局限在红移少于 2 的范围里 。
从天文学考虑 , 引力波探测需要更高红移的探测范围和面对更大特征质量和尺度的波源 ， 对质量在百万太阳质量的超大黑洞波源而言 , 探测频段在中低频0.01 mHz–1 Hz 左右 , 对这频段的引力波探测需要避开地表振动、重力梯度等噪声以及地面试验尺度的限制 , 在空间实现精密激光干涉测量，地面引力波探测与空间引力波探测两者互补才能得以实现更加宽广波段的引力波探测与引力波天文学，与地面引力波探测相比 ,空间引力波探测任务所面对的波源普遍来说特征质量和尺度都大很多 , 探测器具有更深广的视野 , 拥有大量的波源 , 主要包括几千到百万太阳质量的双黑洞并合系统、星系 ( 星团 ) 中心附近恒星质量黑洞等致密小天体和超大质量 ( 中质量 ) 黑洞形成的极端质量比 ( 中等质量比 ) 双黑洞绕转系统、大量河内河外致密双星系统以及早期宇宙和量子引力来源等等。
空间与地面激光干涉引力波探测器在测量原理上基本相同 , 但不同于地面试验固定终端镜面之间的干涉 ,空间引力波探测要在空间自由漂浮的测试质量之间实现激光干涉测量 , 因此所涉及的关键技术与地面引力波探测有很大不同 , 一是保证测试质量的无拖曳运动 , 二是实现空间长基线 ( 例如百万公里量级 ) 的弱光干涉技术完成弱力测量 。 看似简单的原理背后需要大量的高新精密技术 , 例如长时间 ( 数年寿命 ) 稳定工作的激光、空间望远镜、高精度激光测距系统、抵消非保守力对航天器测地运动干扰的无拖曳控制与微推进等诸多关键技术 , 以及保证运行稳定性和热稳定性的轨道设计等等。
国际上 , 最早开始发展的空间激光干涉引力波探测项目是 20 世纪 90 年代开始美国航空航天局和欧洲航天局 合作发展的原 LISA 项目，这也是 20 余年来国际上发展相对最成熟的空间引力波探测计划 。
在我国 ,空间引力波探测已被列入中国科学院制定的空间2050 年规划中。2008 年 , 由中国科学院力学研究所微重力实验室牵头发起 , 中国科学院多个研究所及若干院外高校科研单位共同参与 , 成立了中国科学院空间引力波探测论证组 , 开始探讨我国空间引力波探测在未来数十年内的发展路线图。
经过中国科学院空间引力波探测论证组的推动与努力 , 两期中国科学院先导科技专项空间科学预先研究项目相关课题的研究工作对我国空间激光干涉引力波探测任务已经给出了较明确的概念规划 ,明确了未来数十年内学科的发展路线图 , 目前第三期先导专项课题研究也正在执行 , 深入开展对任务相关科学内容的研究, 初步确定空间引力波探测将会是我国高红移天文学的一部分 , 科学目标锁定在探测第一代恒星塌缩成的黑洞并合 , 理解星系中心超大质量黑洞的成长过程和星系 - 黑洞共同演化等 21世纪天文重大问题。 在此基础上 , 十三五期间开展前期关键技术和载荷相关研发。 此外 , 中山大学也提出了天琴计划 , 其科学目标是验证引力波在中低频的存在。
