歐洲探測器將對宇宙引力展開測量

歐空局LISA探路者計劃將攜帶兩個2公斤重的立方體尋找引力波。

探測空間—時間引力波的尖端技術能否在宇宙中使用？LISA探路者號（全名為激光干涉空間天線，其主要目的是用作引力波觀測平臺）是旨在回答這一問題的一項雄心勃勃的任務，該探測器上載荷了許多復雜設備。

LISA探路者號將于12月2日發(fā)射。這是一項期待已久的由歐空局（ESA）斥資10億歐元設計的空間觀測平臺測試任務。其接下來的任務是跟蹤宇宙中最大的天體——包括巨大黑洞的合并以及星系的碰撞——發(fā)生時產(chǎn)生的時空漣漪。

引力波在近100年前首先被愛因斯坦在其廣義相對論中預測到，然而科學家從未直接觀測它，更別提用它研究宇宙。目前地面上已經(jīng)有天文觀測站在捕捉這些引力波，但是空間觀測站可以從光譜的另一端探尋這種時空漣漪。“這就像同時用射電望遠鏡和光學望遠鏡進行探測一樣。”德國漢諾威市馬普學會引力物理研究所主任、LISA探路者項目共同負責人Karsten Danzmann說，“你所看到的這部分宇宙是完全不同的。”

最終的空間觀測站將試圖通過3個物體——彼此之間相聚500萬公里——在自由落體運動中漂移時對激光的反彈，發(fā)現(xiàn)空間的拉伸和壓縮現(xiàn)象。因為這些物體將受到其他所有外部力量的保護，按理論只有引力波能擾亂它們自由落體的同步性——這一干擾將會影響激光頻率。

LISA探路者號是這一終極計劃中規(guī)模較小的一部分。其造價為4億歐元，利用兩個相隔僅有38厘米的物體實現(xiàn)目標觀測，這兩個物體均為質(zhì)量2公斤、用金和鉑打造而成的立方體，它們將位于同一個探測器內(nèi)部。

和其他觀測平臺不同，LISA探路者號的設計目的是用于進行先導性嘗試探測。這些設置對于偵測引力波來說并不足夠敏感，相反，其目的是展示這兩個小質(zhì)量物體可以完全相互獨立，而它們在相對運動中出現(xiàn)的任何偏差都可以極其精準地被測量到。“我們沒有做到兩種物體相聚500萬公里，但那又如何？”該項目科學家Paul McNamara說，“這里能影響我們測量引力波的元素已經(jīng)足夠多了。”

從這顆探測器所在的法屬圭亞那庫魯發(fā)射地點到接下來長達8周的旅程中，這兩個立方體將會被緊緊固定在該探測器內(nèi)部。但是當探測器到達太陽和地球之間被稱為拉格朗日點1（L-1）的距離約150萬公里的平衡點時，這些立方體將會被輕輕地松開，使其可以在探測器內(nèi)部移動。

一旦開始自由落體，“存在的挑戰(zhàn)是如何把這兩個小立方體與其周圍的任何事物分割開來，這樣才能使它感知到的唯一對象成為時間—空間。”McNamara說。他表示，預期的干擾因素可能包括太陽輻射以及雜散磁場帶來的壓力；該設備是如此的精致，以至于它可以檢測到地球上一個微小細菌的重量。

作為宇宙空間中的高精度實驗室，LISA探路者號和ESA此前的任何一項任務都不同，英國倫敦帝國學院天體物理學家、帶領團隊設計并建造該探測器保護機制的Tim Sumner這樣指出。

該項目另一個不同尋常的元素是其攜帶的設備——兩個立方體，它們將用于定義該探測器的軌道。當它們圍繞L-1點運行并進入微重力環(huán)境時，探路者號將打開一些微型推進器。而這些推進器的推力十分微弱，需要1000個這樣的推進器才能推得動地面上的一張紙。它們將用于監(jiān)測兩個立方體的位置，確保探測器在其上空盤旋，同時不讓兩個立方體接觸到它的邊緣。因此，Sumner介紹說，建造如此精密的設備需要設計這些載荷設備和建造探測器的工程師進行史無前例的精誠合作。

這些復雜性也解釋了為什么發(fā)射這顆探測器要花費如此長的時間，意大利特倫托大學物理學家、探路者號探測器主要負責人之一Stefano Vitale說。探路者號在2000年被ESA批準，最初計劃在2006年發(fā)射。“不客氣地說，我認為以前完全低估了其中的難度。”Vitale說，“但這也是我們建造LISA探路者的原因。”

目前，該任務計劃的最后一步是讓載荷設備開足馬力運行，檢測探測器內(nèi)部的溫度、磁力以及靜電，觀察這些變化如何影響兩個立方體，并以此檢測LISA探路者號的極限。“我們希望盡可能了解一個自由落體運動物體的物理學現(xiàn)象，我們了解到的任何信息都會被反饋到未來任務的設計中去。”McNamara說。

然而，一些善于“投機取巧”的ESA科學家已經(jīng)在考慮當LISA探路者的主要探測任務（大約需要1年時間）結束之后，應該如何用它探測其他問題。例如，Sumner說，萬有引力常數(shù)即G，也應該利用探路者的數(shù)據(jù)，因為G的真實價值仍存在爭議，而從太空中帶回的測量信息可能會提供有價值的視角。

Vitale則指出，現(xiàn)在研究人員仍然要把目光聚焦在該任務的直接目標上。“我們最主要的目標是證實自由落體運動。”他說，“我們不希望偏離這個目標。”