空间引力波探测: 在太空中捕捉引力波“音符”
时间: 2017-10-23 来源:科技日报
提要:自爱因斯坦预言引力波的存在以来,无数科学家和科研机构前赴后继地研究和观测引力波,通过各种科学实验设法捕捉引力波的踪迹。

空间引力波探测: 在太空中捕捉引力波“音符”

 

   日前,一条有关空间引力波探测的消息在天文圈被刷屏。 

    据欧洲太空局(以下简称欧空局)官网报道,其下属科学项目委员会在6月20日举行的会议中一致决定,将探测引力波的激光干涉空间天线(LISA)正式确定为欧空局第三大型空间任务(L3)。根据时间表,LISA将在2034年开始从空中探测引力波。 

    事实上,除LISA外,我国也计划在空间展开引力波探索。那么相对于地基引力波探测,空间探测引力波有什么不同?当这些空间探测站投入使用后,地基引力波探测还将发挥哪些作用?科技日报记者就此采访了业内专家。

     一波三折的LISA任务

     自爱因斯坦预言引力波的存在以来,无数科学家和科研机构前赴后继地研究和观测引力波,通过各种科学实验设法捕捉引力波的踪迹。

     简单地说,引力波是巨大天体在加速运动时在宇宙中产生的一种特殊的“时空涟漪”,可以将其想象成在时空本身的微小起伏。随着引力波的传播,它将拉伸或挤压物体,但这些形变仅仅有亚原子量级,也就是比原子更微小的物质层次。因为微小,所以观测起来非常不易。

    经过几代人30多年的不懈努力和技术及装置上的一次次更新,激光干涉引力波天文台(LIGO)自2015年9月直接探测到第一例引力波事例以来,已经确定探测到了三例。LIGO的两个干涉仪都建在地面,分别位于相距3000公里的美国南海岸路易斯安那州的利文思顿和美国西北海岸华盛顿州的汉福德。 

    不同于LIGO,LISA是首个建在太空中的引力波天文台,由三个相同的航天器构成一个边长为250万公里的等边三角形,沿着与地球相同的日心轨道运行。

     LISA任务的进展可谓一波三折。早在20世纪90年代,美国航空航天局(NASA)和欧洲航天局计划合作推进LISA任务。但到了2011年,美方因预算问题退出该任务。2013年欧空局提议,将其列为欧空局科学计划中的第三大任务,但由于经费紧张等问题迟迟没有做出决定。

     据报道,在LIGO多次探测到引力波,以及LISA探路者成功发射并完成第一阶段科学任务的激励下,NASA有意出资任务总额的20%重回LISA。在此背景下,欧空局因此正式决定,将LISA纳入大型任务“花名册”。如果进展顺利,LISA将在2034年开始从空中探测引力波。

   “作为空间引力波探测项目的代表,LISA 在任务概念的层面为空间引力波探测学科描绘出了清晰的路径与平台, 为国际上其他空间激光干涉引力波探测项目的设计提供了参考。”中国科学院国家天文台研究员苟利军介绍。

    空间与地面探测不同频率“乐章”

    既然在地面上已经探测到了引力波,为什么还要发射探测器去太空中寻找呢? 

    苟利军向科技日报记者展示了一张引力波探测范围的频谱图,从10-16赫兹到102赫兹及以上,图上用一个柱状图标示出了太空干涉仪覆盖的探测范围大约为10-4赫兹到0。

    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。需要特别说明的是,空间与地面引力波探测项目都使用了非常类似的探测方式,也就是激光干涉,差别在于测量频段和目标波源不同。 

    苟利军打了个比方。如果把引力波比作是乐声,天体发出声音有高音和低音,那么,地面干涉仪“听”到的就是高音,而太空干涉仪“听”到的则是中低音。

    受地面试验尺度的限制,地面探测频段被限制在10赫兹以上,探测的引力波源主要包括几十至几百太阳质量黑洞的并合系统、部分双中子星并合系统等。这些系统的尺度相对较小。

    而在太空中,试验尺度很容易达到非常大,同时探测器也不会受到地表振动、重力梯度等噪声的干扰,所以能够相对比较容易地探测到频段在10-5赫兹到0.1赫兹的中低频引力波。和地面探测相比,太空探测的波源普遍来说特征尺度非常大的系统,比如百万太阳质量的超大黑洞系统、或者恒星量级黑洞在距离很远的时候,以及极端质量比的黑洞系统等。

   “地面引力波探测与空间引力波探测,实质上是一个互为补充的关系,两者结合在一起可实现更加宽广波段的引力波探测与研究。”苟利军说道。

    有业内人士指出,尽管LISA探路者2016年的结果已经证明LISA所需的探测技术是可行的,但当时实验所用的两个探测设备仅仅相隔38厘米,然而要让三个探测器在彼此相隔250万公里的情况下保持距离异常稳定,技术挑战要大得多,所以预期卫星发射不会早于2034年。

    低频引力波探测的新路径

    探测引力波,除了以LIGO为代表的地面激光干涉测距,和以LISA为代表的空间激光干涉测距外,是否还有别的技术路径?中国科学院国家天文台研究员平劲松等人最近的一项研究成果提供了另外的一种可能性。 

    平劲松参与的一项地月空间高精度微波测距测速技术联合研究表明,在实现对地月空间定位导航授时的同时,有机会通过超高精度的探测器星间距离和速度的连续测量,支持对空间低频引力波的探测。

    “借助深空任务的测控和导航平台实现对引力理论的验证,通常不是专门为验证引力理论安排的探测,而是在卫星工程主要的测定轨任务中嵌入的副产品。探测的性价比超高。”平劲松向科技日报记者介绍道。借助月球探测任务,用深空微波测量技术,可以探测0.001—0.000002赫兹频段的引力波。 

    1970年以来,以NASA为代表的深空探测机构,一直在努力推动和尝试将原本用在探测器—地面站之间高精度微波测速技术用于引力波探测。但由于没有使用空间对称分布的探测器差分技术,受地球上大气、电离层、板块运动、潮汐、地震的因素干扰,误差较大。

   “我们提出的在地月空间,借助对称分布的拉格朗日平动点L4/L5的几何构型,就可以在差分速度和距离观测中,最大限度地抵消现有深空技术中存在的来自地球和链路上的干扰信息。”平劲松表示。 

    假设一个小天体同时受两个互相绕转的大天体的引力作用。当小天体运行到在空间中某一点时,它受力平衡且相对于两大天体保持相对静止,这个点就叫做两个大天体空间的拉格朗日平动点。平劲松解释道,在地月运行的轨道面,有2个三角平动点L4、L5,每一个平动点和地月连线能构成一个等边三角形。引力波传播一般是先到达其中一个平动点,再到达另一个点。“将探测器设置到这两个点上时,同时测到的两个探测器到月面或地面测站距离数据相减,能最大程度抵消共同路径上发生或共同测量设备受到的干扰信息。”平劲松说,“我们可以在观测中突出保留对称分布的探测器之间的距离扰动信息,争取分离出低频引力波事件。”


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