不同頻率引力波的探測(cè)方式

日前，一條有關(guān)空間引力波探測(cè)的消息在天文圈被刷屏。

據(jù)歐洲太空局(以下簡(jiǎn)稱(chēng)歐空局)官網(wǎng)報(bào)道，其下屬科學(xué)項(xiàng)目委員會(huì)在6月20日舉行的會(huì)議中一致決定，將探測(cè)引力波的激光干涉空間天線(xiàn)(LISA)正式確定為歐空局第三大型空間任務(wù)(L3)。根據(jù)時(shí)間表，LISA將在2034年開(kāi)始從空中探測(cè)引力波。

事實(shí)上，除LISA外，我國(guó)也計(jì)劃在空間展開(kāi)引力波探索。那么相對(duì)于地基引力波探測(cè)，空間探測(cè)引力波有什么不同？當(dāng)這些空間探測(cè)站投入使用后，地基引力波探測(cè)還將發(fā)揮哪些作用？科技日?qǐng)?bào)記者就此采訪(fǎng)了業(yè)內(nèi)專(zhuān)家。

一波三折的LISA任務(wù)

自愛(ài)因斯坦預(yù)言引力波的存在以來(lái)，無(wú)數(shù)科學(xué)家和科研機(jī)構(gòu)前赴后繼地研究和觀(guān)測(cè)引力波，通過(guò)各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)法捕捉引力波的蹤跡。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，引力波是巨大天體在加速運(yùn)動(dòng)時(shí)在宇宙中產(chǎn)生的一種特殊的“時(shí)空漣漪”，可以將其想象成在時(shí)空本身的微小起伏。隨著引力波的傳播，它將拉伸或擠壓物體，但這些形變僅僅有亞原子量級(jí)，也就是比原子更微小的物質(zhì)層次。因?yàn)槲⑿。杂^(guān)測(cè)起來(lái)非常不易。

經(jīng)過(guò)幾代人30多年的不懈努力和技術(shù)及裝置上的一次次更新，激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)自2015年9月直接探測(cè)到第一例引力波事例以來(lái)，已經(jīng)確定探測(cè)到了三例。LIGO的兩個(gè)干涉儀都建在地面，分別位于相距3000公里的美國(guó)南海岸路易斯安那州的利文思頓和美國(guó)西北海岸華盛頓州的漢福德。

不同于LIGO，LISA是首個(gè)建在太空中的引力波天文臺(tái)，由三個(gè)相同的航天器構(gòu)成一個(gè)邊長(zhǎng)為250萬(wàn)公里的等邊三角形，沿著與地球相同的日心軌道運(yùn)行。

LISA任務(wù)的進(jìn)展可謂一波三折。早在20世紀(jì)90年代，美國(guó)航空航天局(NASA)和歐洲航天局計(jì)劃合作推進(jìn)LISA任務(wù)。但到了2011年，美方因預(yù)算問(wèn)題退出該任務(wù)。2013年歐空局提議，將其列為歐空局科學(xué)計(jì)劃中的第三大任務(wù)，但由于經(jīng)費(fèi)緊張等問(wèn)題遲遲沒(méi)有做出決定。

據(jù)報(bào)道，在LIGO多次探測(cè)到引力波，以及LISA探路者成功發(fā)射并完成第一階段科學(xué)任務(wù)的激勵(lì)下，NASA有意出資任務(wù)總額的20%重回LISA。在此背景下，歐空局因此正式?jīng)Q定，將LISA納入大型任務(wù)“花名冊(cè)”。如果進(jìn)展順利，LISA將在2034年開(kāi)始從空中探測(cè)引力波。

“作為空間引力波探測(cè)項(xiàng)目的代表，LISA 在任務(wù)概念的層面為空間引力波探測(cè)學(xué)科描繪出了清晰的路徑與平臺(tái)， 為國(guó)際上其他空間激光干涉引力波探測(cè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了參考。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍介紹。

空間與地面探測(cè)不同頻率“樂(lè)章”

既然在地面上已經(jīng)探測(cè)到了引力波，為什么還要發(fā)射探測(cè)器去太空中尋找呢？

茍利軍向科技日?qǐng)?bào)記者展示了一張引力波探測(cè)范圍的頻譜圖，從10-16赫茲到102赫茲及以上，圖上用一個(gè)柱狀圖標(biāo)示出了太空干涉儀覆蓋的探測(cè)范圍大約為10-4赫茲到0。

天體來(lái)源的引力波按照其質(zhì)量等特征量的改變具有非常寬廣的頻段， 從小于微赫茲至千赫茲跨越約10個(gè)量級(jí)。需要特別說(shuō)明的是，空間與地面引力波探測(cè)項(xiàng)目都使用了非常類(lèi)似的探測(cè)方式，也就是激光干涉，差別在于測(cè)量頻段和目標(biāo)波源不同。

茍利軍打了個(gè)比方。如果把引力波比作是樂(lè)聲，天體發(fā)出聲音有高音和低音，那么，地面干涉儀“聽(tīng)”到的就是高音，而太空干涉儀“聽(tīng)”到的則是中低音。

受地面試驗(yàn)尺度的限制，地面探測(cè)頻段被限制在10赫茲以上，探測(cè)的引力波源主要包括幾十至幾百太陽(yáng)質(zhì)量黑洞的并合系統(tǒng)、部分雙中子星并合系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)的尺度相對(duì)較小。

而在太空中，試驗(yàn)尺度很容易達(dá)到非常大，同時(shí)探測(cè)器也不會(huì)受到地表振動(dòng)、重力梯度等噪聲的干擾，所以能夠相對(duì)比較容易地探測(cè)到頻段在10－5赫茲到0.1赫茲的中低頻引力波。和地面探測(cè)相比，太空探測(cè)的波源普遍來(lái)說(shuō)特征尺度非常大的系統(tǒng)，比如百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的超大黑洞系統(tǒng)、或者恒星量級(jí)黑洞在距離很遠(yuǎn)的時(shí)候，以及極端質(zhì)量比的黑洞系統(tǒng)等。

“地面引力波探測(cè)與空間引力波探測(cè)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)互為補(bǔ)充的關(guān)系，兩者結(jié)合在一起可實(shí)現(xiàn)更加寬廣波段的引力波探測(cè)與研究。”茍利軍說(shuō)道。

有業(yè)內(nèi)人士指出，盡管LISA探路者2016年的結(jié)果已經(jīng)證明LISA所需的探測(cè)技術(shù)是可行的，但當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)所用的兩個(gè)探測(cè)設(shè)備僅僅相隔38厘米，然而要讓三個(gè)探測(cè)器在彼此相隔250萬(wàn)公里的情況下保持距離異常穩(wěn)定，技術(shù)挑戰(zhàn)要大得多，所以預(yù)期衛(wèi)星發(fā)射不會(huì)早于2034年。

低頻引力波探測(cè)的新路徑

探測(cè)引力波，除了以L(fǎng)IGO為代表的地面激光干涉測(cè)距，和以L(fǎng)ISA為代表的空間激光干涉測(cè)距外，是否還有別的技術(shù)路徑？中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員平勁松等人最近的一項(xiàng)研究成果提供了另外的一種可能性。

平勁松參與的一項(xiàng)地月空間高精度微波測(cè)距測(cè)速技術(shù)聯(lián)合研究表明，在實(shí)現(xiàn)對(duì)地月空間定位導(dǎo)航授時(shí)的同時(shí)，有機(jī)會(huì)通過(guò)超高精度的探測(cè)器星間距離和速度的連續(xù)測(cè)量，支持對(duì)空間低頻引力波的探測(cè)。

“借助深空任務(wù)的測(cè)控和導(dǎo)航平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)引力理論的驗(yàn)證，通常不是專(zhuān)門(mén)為驗(yàn)證引力理論安排的探測(cè)，而是在衛(wèi)星工程主要的測(cè)定軌任務(wù)中嵌入的副產(chǎn)品。探測(cè)的性?xún)r(jià)比超高。”平勁松向科技日?qǐng)?bào)記者介紹道。借助月球探測(cè)任務(wù)，用深空微波測(cè)量技術(shù)，可以探測(cè)0.001—0.000002赫茲頻段的引力波。

1970年以來(lái)，以NASA為代表的深空探測(cè)機(jī)構(gòu)，一直在努力推動(dòng)和嘗試將原本用在探測(cè)器—地面站之間高精度微波測(cè)速技術(shù)用于引力波探測(cè)。但由于沒(méi)有使用空間對(duì)稱(chēng)分布的探測(cè)器差分技術(shù)，受地球上大氣、電離層、板塊運(yùn)動(dòng)、潮汐、地震的因素干擾，誤差較大。

“我們提出的在地月空間，借助對(duì)稱(chēng)分布的拉格朗日平動(dòng)點(diǎn)L4/L5的幾何構(gòu)型，就可以在差分速度和距離觀(guān)測(cè)中，最大限度地抵消現(xiàn)有深空技術(shù)中存在的來(lái)自地球和鏈路上的干擾信息。”平勁松表示。

假設(shè)一個(gè)小天體同時(shí)受兩個(gè)互相繞轉(zhuǎn)的大天體的引力作用。當(dāng)小天體運(yùn)行到在空間中某一點(diǎn)時(shí)，它受力平衡且相對(duì)于兩大天體保持相對(duì)靜止，這個(gè)點(diǎn)就叫做兩個(gè)大天體空間的拉格朗日平動(dòng)點(diǎn)。平勁松解釋道，在地月運(yùn)行的軌道面，有2個(gè)三角平動(dòng)點(diǎn)L4、L5，每一個(gè)平動(dòng)點(diǎn)和地月連線(xiàn)能構(gòu)成一個(gè)等邊三角形。引力波傳播一般是先到達(dá)其中一個(gè)平動(dòng)點(diǎn)，再到達(dá)另一個(gè)點(diǎn)。“將探測(cè)器設(shè)置到這兩個(gè)點(diǎn)上時(shí)，同時(shí)測(cè)到的兩個(gè)探測(cè)器到月面或地面測(cè)站距離數(shù)據(jù)相減，能最大程度抵消共同路徑上發(fā)生或共同測(cè)量設(shè)備受到的干擾信息。”平勁松說(shuō)，“我們可以在觀(guān)測(cè)中突出保留對(duì)稱(chēng)分布的探測(cè)器之間的距離擾動(dòng)信息，爭(zhēng)取分離出低頻引力波事件。”

本報(bào)記者 唐 婷

[責(zé)任編輯：楊凡、蘇琛]

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