LISA探路者,空間引力波探測的里程碑

□ 阿爾伯特?愛因斯坦研究所 胡一鳴

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LISA探路者,空間引力波探測的里程碑

□ 阿爾伯特?愛因斯坦研究所 胡一鳴

圖片來源網(wǎng)絡(luò)

引力波

1905年，被后人稱為物理學(xué)奇跡年，聯(lián)合國教科文組織還把一個世紀以后的2005年定為國際物理年，以此紀念100年前那個用三篇論文改變世界的26歲小伙——阿爾伯特?愛因斯坦。這一年，他分別發(fā)表了三篇論文：建立了狹義相對論，解釋了布朗運動，提出了光量子假說。

然而，十年之后，又是一個具有劃時代意義的奇跡年。在經(jīng)歷長達10年的冥想苦思之后，愛因斯坦終于確定了描述引力的場方程。1915年11月25日，他正式提交了描述廣義相對論公式的論文，向世人正式揭曉了那一石破天驚的結(jié)論：引力，不過就是時空的彎曲。

整整一個世紀之后，此時此刻，我們又迎來了一個激動人心的時代。2015年9月18日，脫胎換骨后的地面引力波探測器aLIGO（Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，高新激光干涉儀引力波天文臺）正式開始工作；2015年12月3日，LISA探路者將正式發(fā)射升天。我們，屏息凝神，聆聽宇宙。

這一刻，大概愛因斯坦做夢也沒有想到過。推導(dǎo)出廣義相對論之后，他很快就意識到，如同電磁波一樣，引力也是以波動的形式傳播，且其速度就是光速。他隨后在論文中做出斷言，引力波太過微弱，想要探測難于上青天。

很多科學(xué)家窮盡一生想證明愛因斯坦錯了，然而成功的人并不多，探測引力波的人算是其中一員。愛因斯坦這回真的“錯”了：引力波確實很弱，但并非無法探測。利用激光干涉的方法，加上一系列高精尖的突破性技術(shù)，我們可以探測到非常微小的時空擾動。如果把我們的探測器延長，一頭在地球，一頭在太陽，探測器長度發(fā)生哪怕只有一個原子尺度的變化，位于美國的aLIGO都可以把它探測出來。

然而，地球表面的探測器也有自己的苦楚。正是因為它實在太靈敏了，稍有風(fēng)吹草動它都會受到影響。一千米高處飄過的白云，幾千米外卡車駛過高速公路，幾十千米外的工人在伐木，幾百千米外海浪拍著沙灘，都會在aLIGO探測器上留下蹤跡。由于這些噪聲的存在，在地面上我們只能關(guān)注高頻的引力波（100~1000Hz），低頻的信號只能放棄了。要探測頻率低很多的引力波信號，就必須遠離地球，向太空進發(fā)。

LISA

空間探測引力波的項目并不像地面項目這么幸運?？臻g項目一向以其高風(fēng)險著稱，一旦發(fā)生故障，基本上儀器就徹底報廢，除非花大錢更換零件（比如盡人皆知的哈勃望遠鏡）或者更換科學(xué)目標(biāo)（比如搜尋太陽系外行星的開普勒望遠鏡）。

太空激光干涉儀LISA，首次被提出是在20世紀六七十年代，但是直到今天，距離發(fā)射依然遙遙無期。在最初的設(shè)計中，3個探測器兩兩之間形成相距500萬千米的干涉臂，相當(dāng)于從地球到月亮距離的13倍，一共可以構(gòu)成3個干涉儀。正是因為如此遙遠的距離，所以這些衛(wèi)星一旦發(fā)生故障，要維修是根本不可能的。

其實，LISA的預(yù)計發(fā)射期，一直以來都是“大概10年之內(nèi)”。起初是研發(fā)過程一波三折，技術(shù)難題接踵而至，導(dǎo)致發(fā)射期一拖再拖；然而當(dāng)技術(shù)日趨成熟之際，技術(shù)的可靠性又受到了質(zhì)疑，而使得后續(xù)經(jīng)費無法得到保障。于是LISA團隊提出了一個折中的方案：先發(fā)射一個探路器，測試LISA所用到的高精度空間測距技術(shù)，這要比發(fā)射3顆衛(wèi)星便宜得多，可行性也高得多。如果一切運行穩(wěn)定正常，到時候再撥錢給

LISA探路者

LISA探路者需要做的，就是把整個100萬千米的LISA基線濃縮到一個人造衛(wèi)星之內(nèi)，讓兩個相距38厘米的無拖曳金鉑立方體處于失重狀態(tài)，并屏蔽外界的各種因素對兩個立方體的干擾，使用微推進器極為精密地修正衛(wèi)星的位置使得太陽風(fēng)等因素不至于使立方體的軌道碰撞到衛(wèi)星的內(nèi)壁，之后再用激光干涉技術(shù)測量它們的測地線偏差。

簡單來說，就是自由落體。

這個實驗，需要保證兩個金鉑立方體處于自由落體狀態(tài)，并用激光干涉測量期間距離的微小變化。所以，它需要飛行到地球引力與太陽引力互相平衡的拉格朗日點，讓間隔38厘米的兩個被測立方體處于自由下落（失重）的狀態(tài)。探測器所有的功能，就是保證置于其中的兩個立方體自由下落，不受外界干擾。

自由落體并不難，真正困難的是要達到那令人嘆為觀止的測量精度：1皮米，即 10-12米（原子半徑都比這個量級大100倍）。連探測器里不同零件的布局都要用精確的計算機建模來反復(fù)修改配重，從而平衡兩個金鉑立方體所受到的探測器本身的引力。

另外，兩個金鉑立方體需要控制在一個很狹小的范圍內(nèi)。在一定范圍內(nèi)讓兩個立方體自由飄動，飄得太過分了就糾正一下，再繼續(xù)飄動。這里的糾正需要用非常微小而又非常精確的控制器，而所有這一切都得裝在一個很小的探測器里。螺螄殼里做道場也不過如此。

所謂的自由落體，就是要保證立方體只能受到引力作用，所以金鉑立方體不能曬太陽：一旦陽光直射，太陽光的光壓會推動它偏離自由落體的狀態(tài)。另外，火箭發(fā)射時衛(wèi)星會經(jīng)歷很強的加速度和顛簸，如此精密的儀器要是在發(fā)射時被顛壞了，可就不好玩了。LISA——這就是 LISA探路者的由來。

LISA探路者要保證它內(nèi)部的兩個金鉑立方體處于自由落體狀態(tài)，并用激光干涉測量期間距離的微小變化，以驗證未來 eLISA將要用到的技術(shù)是否切實可行。圖片來源：ESA

可惜，金融危機的到來使得NASA（美國航天局）大幅度削減經(jīng)費，大批天文項目紛紛被砍，LISA也不例外。幸好，這個項目從一開始就不是靠著NASA一個“人”在戰(zhàn)斗，美國人退出了，ESA（歐洲空間局）就此接手。然而ESA也是青黃不接之時，LISA只能做出讓步，把探測器間距縮短到100萬千米，干涉臂也減到了2條，只能組成一個干涉儀，甚至連名字都改成了 eLISA。這一切的努力都沒有什么回報，ESA在慎重比較之后，還是選擇放棄了eLISA項目。雖然eLISA依然有希望在2030年之后得到經(jīng)費發(fā)射上天，但那已經(jīng)是很遙遠的事情了，為eLISA開發(fā)出技術(shù)的科研團隊都將面臨退休和改行的問題，重新開發(fā)意味著之前努力的極大浪費?？蒲惺芙?jīng)濟環(huán)境的影響不禁讓人唏噓。

LISA原計劃利用相互間隔500萬千米的3個探測器，構(gòu)成3個空間激光干涉儀，用來探測引力波信號。圖片來源：NASA

不知道該說是幸運，還是不幸，LISA探路者的發(fā)射已經(jīng)板上釘釘了，所以照舊發(fā)射不誤。原先熱情滿滿搞LISA的人，只能寄希望于這個探路者表現(xiàn)出色了。畢竟，20年后能不能拿到經(jīng)費給LISA續(xù)命，就在此一搏了。

天琴，中國的空間引力波探測之路

引力波，是一扇全新的窗口。引力波的頻率遠低于電磁波，就像人耳聽到的聲波頻率遠低于可見光的頻率；地面引力波的定位，很大程度上依賴于信號到達不同探測器的時間差，這一點又和人耳定位的原理不謀而合，如果說傳統(tǒng)的望遠鏡讓天文學(xué)家開眼看世界，那么引力波就將打開天文學(xué)家一直閉塞的耳朵。

隨著aLIGO的啟動和LISA探路者的成功上天，全世界的目光都聚集在這一物理學(xué)最后的寶藏上，中國的科學(xué)家們自然也不例外。

就在最近，描述我國自主設(shè)計的空間引力波探測計劃——天琴計劃——正式發(fā)表在引力科研期刊《經(jīng)典與量子引力》上。這個由我國著名引力專家羅俊院士帶頭的計劃極具雄心，且目標(biāo)明確：做出全世界第一個空間引力波的探測。許多已有的空間引力波探測項目都想一口氣吃成胖子，想把許多信號都一網(wǎng)打盡。我國的技術(shù)發(fā)展起步相對較晚，要想競爭，必須走一條不一樣的道路。天琴計劃的目標(biāo)源十分明確——RX J0806.3+1527這一對銀河系內(nèi)的白矮星雙星，它們有著極短的公轉(zhuǎn)周期（321.5秒），以及相對較近的距離（5000角秒以內(nèi)）。如果儀器運行一切正常，僅僅需要三個月，我們就可以實現(xiàn)第一次太空引力波探測器的成功探測！

在這個計劃中，三顆衛(wèi)星所構(gòu)成的等邊三角形將圍繞地球轉(zhuǎn)動，這大大降低了涉及軌道和發(fā)射的難度；而同時，距離測量的精度則達到了1皮米。相距10萬千米的衛(wèi)星測距精度所達到的1皮米，和LISA探路者實現(xiàn)的相隔38厘米測量精確至1皮米的精度相比，又是困難了不少。一葉知秋，由這一細節(jié)就可想見這個項目的雄心。

廣義相對論百年華誕之際，引力波的喜訊接踵而至，讓人喜不自禁；更讓我們中國人自豪的是，在這發(fā)掘物理學(xué)最后寶藏的隊伍中，活躍著我們中國科學(xué)家的身影，在空間引力波探測的最前沿為空間引力波的第一曲奏鳴而奮斗。

讓我們洗耳恭聽，靜待宇宙的美妙華章。