歐洲探測器將對宇宙引力展開測量

歐空局LISA探路者計(jì)劃將攜帶兩個(gè)2公斤重的立方體尋找引力波。

探測空間—時(shí)間引力波的尖端技術(shù)能否在宇宙中使用？LISA探路者號(hào)（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(tái)）是旨在回答這一問題的一項(xiàng)雄心勃勃的任務(wù)，該探測器上載荷了許多復(fù)雜設(shè)備。

LISA探路者號(hào)將于12月2日發(fā)射。這是一項(xiàng)期待已久的由歐空局（ESA）斥資10億歐元設(shè)計(jì)的空間觀測平臺(tái)測試任務(wù)。其接下來的任務(wù)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(shí)產(chǎn)生的時(shí)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(yù)測到，然而科學(xué)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(shí)空漣漪。“這就像同時(shí)用射電望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行探測一樣。”德國漢諾威市馬普學(xué)會(huì)引力物理研究所主任、LISA探路者項(xiàng)目共同負(fù)責(zé)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(gè)物體——彼此之間相聚500萬公里——在自由落體運(yùn)動(dòng)中漂移時(shí)對激光的反彈，發(fā)現(xiàn)空間的拉伸和壓縮現(xiàn)象。因?yàn)檫@些物體將受到其他所有外部力量的保護(hù)，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(huì)影響激光頻率。

LISA探路者號(hào)是這一終極計(jì)劃中規(guī)模較小的一部分。其造價(jià)為4億歐元，利用兩個(gè)相隔僅有38厘米的物體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)觀測，這兩個(gè)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(gè)探測器內(nèi)部。

和其他觀測平臺(tái)不同，LISA探路者號(hào)的設(shè)計(jì)目的是用于進(jìn)行先導(dǎo)性嘗試探測。這些設(shè)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(gè)小質(zhì)量物體可以完全相互獨(dú)立，而它們在相對運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)的任何偏差都可以極其精準(zhǔn)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(xiàng)目科學(xué)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(diǎn)到接下來長達(dá)8周的旅程中，這兩個(gè)立方體將會(huì)被緊緊固定在該探測器內(nèi)部。但是當(dāng)探測器到達(dá)太陽和地球之間被稱為拉格朗日點(diǎn)1（L-1）的距離約150萬公里的平衡點(diǎn)時(shí)，這些立方體將會(huì)被輕輕地松開，使其可以在探測器內(nèi)部移動(dòng)。

一旦開始自由落體，“存在的挑戰(zhàn)是如何把這兩個(gè)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(shí)間—空間。”McNamara說。他表示，預(yù)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(shè)備是如此的精致，以至于它可以檢測到地球上一個(gè)微小細(xì)菌的重量。

作為宇宙空間中的高精度實(shí)驗(yàn)室，LISA探路者號(hào)和ESA此前的任何一項(xiàng)任務(wù)都不同，英國倫敦帝國學(xué)院天體物理學(xué)家、帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并建造該探測器保護(hù)機(jī)制的Tim Sumner這樣指出。

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

這些復(fù)雜性也解釋了為什么發(fā)射這顆探測器要花費(fèi)如此長的時(shí)間，意大利特倫托大學(xué)物理學(xué)家、探路者號(hào)探測器主要負(fù)責(zé)人之一Stefano Vitale說。探路者號(hào)在2000年被ESA批準(zhǔn)，最初計(jì)劃在2006年發(fā)射。“不客氣地說，我認(rèn)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(wù)計(jì)劃的最后一步是讓載荷設(shè)備開足馬力運(yùn)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(gè)立方體，并以此檢測LISA探路者號(hào)的極限。“我們希望盡可能了解一個(gè)自由落體運(yùn)動(dòng)物體的物理學(xué)現(xiàn)象，我們了解到的任何信息都會(huì)被反饋到未來任務(wù)的設(shè)計(jì)中去。”McNamara說。

然而，一些善于“投機(jī)取巧”的ESA科學(xué)家已經(jīng)在考慮當(dāng)LISA探路者的主要探測任務(wù)（大約需要1年時(shí)間）結(jié)束之后，應(yīng)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(yīng)該利用探路者的數(shù)據(jù)，因?yàn)镚的真實(shí)價(jià)值仍存在爭議，而從太空中帶回的測量信息可能會(huì)提供有價(jià)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(wù)的直接目標(biāo)上。“我們最主要的目標(biāo)是證實(shí)自由落體運(yùn)動(dòng)。”他說，“我們不希望偏離這個(gè)目標(biāo)。”