不僅能聽(tīng)，還能“測(cè)量”！歐洲LISA計(jì)劃將捕捉“僅其可見(jiàn)”的引力波

作者| 韓文標(biāo) 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員

你知道嗎？原本只能在地面上“聽(tīng)見(jiàn)”的引力波，即將可以在太空中測(cè)量到了！今天我們來(lái)聊聊歐洲今年正式立項(xiàng)的空間引力波探測(cè)器LISA（Laser Interferometer Space Antenna）計(jì)劃。它的全名是激光干涉空間天線，目標(biāo)是在太空中探測(cè)低頻的引力波。

大家可以把引力波想象成宇宙中的時(shí)空漣漪。就像在池塘里扔一塊石頭，水面會(huì)蕩起波紋一樣，天體比如黑洞或中子星的劇烈運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生這樣的漣漪。這種漣漪實(shí)際上是時(shí)空的波動(dòng)，以光速傳播，我們稱之為引力波。

那LISA是如何探測(cè)引力波的，為什么要在太空中測(cè)量引力波呢？下面我就給大家詳細(xì)介紹一下。

LISA的原理其實(shí)和地面上已經(jīng)存在的引力波探測(cè)器激光干涉引力波天文臺(tái)LIGO（Laser Interferometer Gravitational-WaveObservatory）很像，都是采用激光干涉技術(shù)。LIGO通過(guò)分光鏡把一束激光分成兩束，在兩條長(zhǎng)臂上來(lái)回反射。當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)時(shí)，兩條反射臂的長(zhǎng)度就會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)變化極其微小，可能是質(zhì)子半徑的千分之一，但是也會(huì)引起兩束激光的相位發(fā)生變化，當(dāng)它們?cè)倥龅揭黄鸢l(fā)生干涉時(shí)，亮度就會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。引力波探測(cè)器就是利用這樣的原理來(lái)探測(cè)非常微弱的引力波信號(hào)的。

和地面上的LIGO不同，LISA把這種激光干涉儀搬到太空中去，它由三個(gè)相同的航天器組成，在地球身后數(shù)千萬(wàn)公里處隨地球一起繞著太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)。軌道設(shè)計(jì)的非常聰明，使得這三個(gè)航天器始終保持一個(gè)等邊三角形，這三個(gè)航天器相互之間相隔250萬(wàn)公里。相當(dāng)于激光臂長(zhǎng)250萬(wàn)公里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)LIGO的四公里。

因此工程技術(shù)的難度可想而知，如此遙遠(yuǎn)的距離，如何確保能夠捕捉到250萬(wàn)公里外發(fā)出的激光就很有挑戰(zhàn)性。而太空中復(fù)雜的環(huán)境使得航天器受到各種非引力的干擾，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)引力波失敗。

為此科學(xué)家使用了一種神奇的技術(shù)方案。在每個(gè)航天器中都裝有由金鉑合金制成的懸浮小立方體，它們被隔離在真空的空腔中。引力有個(gè)很神奇的性質(zhì)，就是沒(méi)有辦法被屏蔽，但其它相互作用如電磁力則可以被屏蔽。這樣這些小立方體就只感受到引力的作用。但裝載它的航天器卻受到各種干擾。為此，還需要用無(wú)拖拽技術(shù)，精密控制航天器，讓航天器隨著小立方體一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)引力波通過(guò)時(shí)，這些質(zhì)量塊之間的距離會(huì)微小的變化。LISA利用激光干涉技術(shù)精確測(cè)量這些變化，即使它們小到只有幾皮米（一皮米是萬(wàn)億分之一米）也能被探測(cè)到。

如此長(zhǎng)的臂長(zhǎng)使得LISA能夠探測(cè)到毫赫茲頻段的引力波信號(hào)，這些低頻引力波通常來(lái)源于質(zhì)量達(dá)百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。這是地面的LIGO無(wú)法探測(cè)到的。由于LISA超高的靈敏度，它可以探測(cè)到宇宙剛誕生后的各種引力波信號(hào)，為我們揭示宇宙早期的科學(xué)知識(shí)。

當(dāng)然，我們國(guó)家也不甘落后，同時(shí)提出了太極和天琴兩個(gè)空間引力波探測(cè)項(xiàng)目，準(zhǔn)備在太空中和LISA一較高下，共同探究宇宙的奧秘。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者名稱：韓文標(biāo)

審核：柳聰亮 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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