不僅能聽，還能“測量”！歐洲LISA計劃將捕捉“僅其可見”的引力波

作者| 韓文標 中國科學(xué)院上海天文臺研究員

你知道嗎？原本只能在地面上“聽見”的引力波，即將可以在太空中測量到了！今天我們來聊聊歐洲今年正式立項的空間引力波探測器LISA（Laser Interferometer Space Antenna）計劃。它的全名是激光干涉空間天線，目標是在太空中探測低頻的引力波。

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

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

LISA的原理其實和地面上已經(jīng)存在的引力波探測器激光干涉引力波天文臺LIGO（Laser Interferometer Gravitational-WaveObservatory）很像，都是采用激光干涉技術(shù)。LIGO通過分光鏡把一束激光分成兩束，在兩條長臂上來回反射。當引力波經(jīng)過時，兩條反射臂的長度就會發(fā)生變化，這個變化極其微小，可能是質(zhì)子半徑的千分之一，但是也會引起兩束激光的相位發(fā)生變化，當它們再碰到一起發(fā)生干涉時，亮度就會隨時間發(fā)生變化。引力波探測器就是利用這樣的原理來探測非常微弱的引力波信號的。

和地面上的LIGO不同，LISA把這種激光干涉儀搬到太空中去，它由三個相同的航天器組成，在地球身后數(shù)千萬公里處隨地球一起繞著太陽運轉(zhuǎn)。軌道設(shè)計的非常聰明，使得這三個航天器始終保持一個等邊三角形，這三個航天器相互之間相隔250萬公里。相當于激光臂長250萬公里，遠遠超過LIGO的四公里。

因此工程技術(shù)的難度可想而知，如此遙遠的距離，如何確保能夠捕捉到250萬公里外發(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，會導(dǎo)致探測引力波失敗。

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。引力有個很神奇的性質(zhì)，就是沒有辦法被屏蔽，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動。當引力波通過時，這些質(zhì)量塊之間的距離會微小的變化。LISA利用激光干涉技術(shù)精確測量這些變化，即使它們小到只有幾皮米（一皮米是萬億分之一米）也能被探測到。

如此長的臂長使得LISA能夠探測到毫赫茲頻段的引力波信號，這些低頻引力波通常來源于質(zhì)量達百萬太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。這是地面的LIGO無法探測到的。由于LISA超高的靈敏度，它可以探測到宇宙剛誕生后的各種引力波信號，為我們揭示宇宙早期的科學(xué)知識。

當然，我們國家也不甘落后，同時提出了太極和天琴兩個空間引力波探測項目，準備在太空中和LISA一較高下，共同探究宇宙的奧秘。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者名稱：韓文標

審核：柳聰亮 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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