激光干涉空間天線開路者號(hào)(Lisa Pathfinder)是歐洲空間局的一個(gè)空間探測(cè)器，位于朝著太陽的方向，距離地球超過100萬公里
如果四年前有類似“激光干涉空間天線”(Lisa)的太空天文臺(tái)，我們可能那時(shí)就能探測(cè)到Ligo發(fā)現(xiàn)的黑洞合并現(xiàn)象
如果四年前有類似“激光干涉空間天線”(Lisa)的太空天文臺(tái)，我們可能那時(shí)就能探測(cè)到Ligo發(fā)現(xiàn)的黑洞合并現(xiàn)象
北京時(shí)間4月2日消息，對(duì)于探測(cè)引力波所需的技術(shù)，目前已經(jīng)有了正式的測(cè)試計(jì)劃。歐洲空間局的“激光干涉空間天線開路者號(hào)”探測(cè)器(Lisa Pathfinder，LPF)正在距離地球約150萬公里的地方進(jìn)行著一系列實(shí)驗(yàn)。
理所當(dāng)然地，這項(xiàng)計(jì)劃得到了大量關(guān)注，因?yàn)榫驮谌ツ?月，地面觀測(cè)臺(tái)第一次探測(cè)到“宇宙的漣漪”——引力波。LPF的演示如果能獲得成功，將為計(jì)劃于2034年發(fā)射的一座功能齊全的空間引力波天文臺(tái)鋪平道路。
這座空間天文臺(tái)將會(huì)被簡(jiǎn)稱為“Lisa”，是“激光干涉儀空間天線”(Laser Interferometer Space Antenna)的簡(jiǎn)寫。“現(xiàn)在是一個(gè)非常棒的時(shí)機(jī)，”歐洲空間局的負(fù)責(zé)LPF項(xiàng)目的科學(xué)家保羅·麥克納馬拉(Paul McNamara)說，“我已經(jīng)把整個(gè)職業(yè)生涯投入到這項(xiàng)研究之中，而許多年來別人一直跟我們說——有些情況下甚至是嘲笑——引力波并不存在，或者我們不可能找到它們。好了，現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)它們了，而且我們還要接著跨出一大步，建造一個(gè)天文臺(tái)，在太空中探測(cè)它們。”
位于地球表面的激光干涉儀放置在美國(guó)的Ligo(激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái))設(shè)施內(nèi)，對(duì)“較小”宇宙事件產(chǎn)生的引力波十分敏感。2015年9月，兩座Ligo設(shè)施觀測(cè)到了兩個(gè)黑洞產(chǎn)生的引力波信號(hào)，每個(gè)黑洞的質(zhì)量大約為太陽的30倍，它們相互旋轉(zhuǎn)并融合。
位于太空的激光干涉儀將追蹤質(zhì)量大得多的目標(biāo)，例如星系碰撞時(shí)合并而成的“怪物級(jí)”黑洞，其質(zhì)量是太陽的數(shù)百萬倍。另一方面，太空天文臺(tái)還可能觀測(cè)到比Ligo所觀測(cè)的更小的事件——實(shí)際只是事件演化過程的不同階段。
激光干涉空間天線開路者號(hào)探測(cè)器內(nèi)部的激光干涉系統(tǒng)示意圖
可獲得的預(yù)算額度將決定實(shí)際操作中Lisa任務(wù)的布局可獲得的預(yù)算額度將決定實(shí)際操作中Lisa任務(wù)的布局
粗略的計(jì)算顯示，如果一個(gè)功能齊全的Lisa天文臺(tái)早就存在，就將提前4年探測(cè)到Ligo所發(fā)現(xiàn)的相互繞轉(zhuǎn)的黑洞。在那個(gè)時(shí)段，黑洞繞轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的引力波信號(hào)頻率會(huì)經(jīng)過太空激光干涉儀的靈敏度范圍。
LPF只包含一個(gè)設(shè)備，用于測(cè)量并維持兩個(gè)小型金-鉑金塊之間38厘米的間隔。在上周二開始的實(shí)驗(yàn)中，這些“測(cè)試重塊”將被允許在探測(cè)器內(nèi)部自由飄浮，而一個(gè)激光系統(tǒng)將嘗試對(duì)它們的行為進(jìn)行監(jiān)視，尋找只有幾皮米(1皮米等于1米的一萬億分之一)的路徑偏差。這種差別比原子的直徑還要小得多。
放大來看，這就好比測(cè)量倫敦碎片大廈頂部與紐約世貿(mào)中心一號(hào)大廈頂部之間的距離，然后觀察是否出現(xiàn)只有人類頭發(fā)直徑大小的變化。對(duì)于太空天文臺(tái)來說，這是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，但如果想要探測(cè)到極端微弱的“時(shí)空漣漪”，這樣的表現(xiàn)是必需的。
“一開始的幾天將會(huì)非常無聊；我們什么都做不了，”麥克納馬拉博士說，“我們只是讓這兩個(gè)測(cè)試重塊在太空中自由飄浮，然后通過觀察來不斷學(xué)習(xí)，因?yàn)檫@種類型的實(shí)驗(yàn)此前從未有人做過。然后我們會(huì)開始探測(cè)我們的物理實(shí)驗(yàn)室。我們想知道什么因素會(huì)使這些測(cè)試重塊脫離自由落體運(yùn)動(dòng)。”
天體追蹤器通常用來導(dǎo)航，但也可以用于尋找小行星天體追蹤器通常用來導(dǎo)航，但也可以用于尋找小行星
LPF會(huì)噴出氣體，從而繞著測(cè)試重塊飛行LPF會(huì)噴出氣體，從而繞著測(cè)試重塊飛行
LPF無法自己探測(cè)引力波。為了完成這一任務(wù)，測(cè)試重塊之間38厘米的間隔需要整個(gè)探測(cè)器被發(fā)射到距離地球100萬公里甚至更遠(yuǎn)的位置上——這也是Lisa任務(wù)要達(dá)到的目標(biāo)。但是，有了LPF，就可以對(duì)度量衡原則進(jìn)行確認(rèn)，最重要的是，科學(xué)家可以開始對(duì)那些必將干擾實(shí)驗(yàn)的“噪音”類型進(jìn)行定性。
對(duì)LPF來說，有些噪音來源于內(nèi)部設(shè)備自身的電流；此外還有一些可能會(huì)推動(dòng)重塊偏離自由落體的物理因素，包括探測(cè)器內(nèi)細(xì)微的溫度變化，以及探測(cè)器本身質(zhì)量所產(chǎn)生的的近乎無法感知的引力牽拉。
為了維持最理想的自由落體環(huán)境，LPF必須從頭到尾一直繞著測(cè)試重塊飛行，保護(hù)它們免受陽光壓力或細(xì)小的微隕石的影響。要做到這些，LPF要噴出微量的氣體，以產(chǎn)生細(xì)微的推力。“LPF上面的冷氣體推進(jìn)器通常產(chǎn)生的推力，如果在地球上，只能夠阻止一片雪花落下，”空中客車防務(wù)與航空公司(Airbus Defence and Space)的拉爾夫·科爾代(Ralph Cordey)博士解釋道。LPF探測(cè)器正是在該公司位于英國(guó)的基地組裝的。
LPF實(shí)際上具有兩組獨(dú)立的微型推進(jìn)器，各自有獨(dú)立的控制系統(tǒng)。其中一組由歐洲的工業(yè)界提供；另一組是美國(guó)航空航天局(NASA)的項(xiàng)目成果。在最初的三個(gè)月里，歐洲的推進(jìn)器將完成所有工作；從夏季往后，美國(guó)的控制系統(tǒng)和推進(jìn)器將接管工作，并支持激光干涉儀的測(cè)量。
一旦所有的測(cè)試完成，LPF將可能運(yùn)行一些額外的、與引力波無關(guān)的實(shí)驗(yàn)。目前正在考慮的想法包括探測(cè)近地小行星。這項(xiàng)工作可以用探測(cè)器上空閑的天體追蹤器進(jìn)行。該儀器的導(dǎo)航傳感器將被編程，以向地球報(bào)告其視野中意料之外的小行星運(yùn)動(dòng)。
另一項(xiàng)可能的實(shí)驗(yàn)是利用LPF探測(cè)器上的超靈敏儀器對(duì)“Big G”進(jìn)行定量，即萬有引力常數(shù)。這是牛頓力學(xué)中最基礎(chǔ)的數(shù)值，在研究?jī)蓚€(gè)距離已知的質(zhì)體之間有多大的引力時(shí)至關(guān)重要。在地球的實(shí)驗(yàn)室里，通過扭秤可以很精確地得到萬有引力常數(shù)，但利用LPF進(jìn)行測(cè)量，將為物理學(xué)家提供完全不一樣的精確數(shù)值。
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