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[2017年] 太空架支点 探寻引力波

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  : 南方日报
    
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  近日,欧空局表示,其下属科学项目委员会决定,将探测引力波的激光干涉空间天线(LISA)正式确定为欧空局第三大型空间任务。根据时间表,LISA将在2034年开始从空中探测引力波。
  另一边,中国科学院早在2016年初就披露了引力波探测项目──空间太极(Taiji)计划。按计划,我国将在2030年前后发射引力波探测卫星组,进行中低频波段引力波的直接探测。
  引力波,很多人都已不再陌生。对于中国科学院和欧空局的计划,很多人估计会纳闷,地面上就能探测到引力波,为何还要上天去探测呢?将要飞天的探测器又长啥样呢?本期科技能见度为你释疑。

▲ 南方日报驻京记者 王腾腾
  策划统筹:李江萍
  1源起:
  从共振棒到激光干涉仪
  2016年2月11日,激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织和Virgo合作团队宣布,他们已经利用高级LIGO探测器首次探测到了来自双黑洞合并的引力波信号。
  此后,LIGO多次探测到引力波。虽然在近日,探测数据由于被发现有不可解释的噪声受到质疑,但还没有确定性的结论。
  引力波,并不是我们所熟悉的引力。爱因斯坦的广义相对论中最为著名的两句话是:空间三维+时间一维,形成四维的时空;时空告诉物质如何运动,物质告诉时空如何弯曲。
  也就是说,在四维的宇宙时空中,任何物质的运动都在其中发生,并且会带来不同程度的时空弯曲,而引力波便是时空弯曲过程中荡起的“时空涟漪”。
  在平静的湖面上,两个漂浮其上的球体,各自会将湖面下压一些,也就是物质将时空弯曲。当两个球体由于互相的作用力,开始相互绕转,平静的湖面就会被它们的运动推起涟漪,这就是引力波。
  这些引力波“涟漪”不断地被传送到远处,也会使得远处的湖面出现波动,就像“春风吹皱了一池湖水”的效果,出现“波光粼粼”的效果。这意味着,时空在引力波的作用下发生了弯曲。
  但就像湖面中央荡漾而开的涟漪总会越远越小一样,引力波也是如此,到达地球之前,它们已不是那么强烈,所以探测起来难度极高。
  广义相对论提出引力波的存在之后,在上个世纪40年代曾受到不少物理学家的质疑。虽然不久之后质疑渐渐消去,但是当时大部分的物理学家认为,引力波如此微弱,是不可能探测到的。
  第一个对直接探测引力波做伟大尝试的人是约瑟夫·韦伯。从1957年到1959年,韦伯全身心投入到引力波探测方案的设计中。最终,他选择了一根长2米、半径0.5米、重约1吨的圆柱形铝棒,其侧面指向引力波到来的方向。
  这一类型的探测器,被称为共振棒探测器。因为当引力波到来时,会交错挤压和拉伸铝棒两端,当引力波频率和铝棒设计频率一致时,铝棒会发生共振,贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。
  但共振棒探测器有很明显的局限性,比如它的共振频率是确定的,虽然可以通过改变共振棒的长度来调整共振频率,但对于同一个探测器,只能探测其对应频率的引力波信号,如果引力波信号的频率不一致,那该探测器就无能为力。
  2 现状:
  灵敏度不断提高但仍有干扰
  其实,早在韦伯设计建造共振棒的同时期,有部分物理学家就认识到了激光干涉仪引力波探测方案的优越性。上世纪70年代,加州理工学院的韦斯以及马里布休斯实验室的佛瓦德,分别建造了引力波激光干涉仪。1986年,在美国国家科学基金委(NSF)的建议下,这些物理学家被分成两个组,分别负责建造并启用全国性的科学装置──LIGO。最终,正是LIGO首次发现了引力波。
  LIGO的两个干涉仪都建在地面,分别位于相距3000公里的美国南海岸路易斯安那州的利文思顿和美国西北海岸华盛顿州的汉福德。
  引力波激光干涉仪就像一个大型的圆规布置在大地上。一束单色、频率稳定的激光发出,在分光镜上被分为强度相等的两束,一束经分光镜反射进入干涉仪的Y臂,另一束透过分光镜进入与其垂直的X臂。在经历了相同的时间之后,两束光返回,并在分光镜上重新相遇产生干涉。
  科学家可以通过调整X、Y臂的长度,控制两束光相消。如果有引力波从垂直的方向进入之后,会对两臂中的一臂拉长,另一臂压缩短,从而使两束光的光程差发生变化,原先相消的条件被破坏,有一定数量的光线会进入探测器,从而得到引力波信号。
  激光干涉仪对于共振棒的优势显而易见。首先,激光干涉仪可探测一定范围频率的引力波信号(一般是20Hz-3000Hz);其次,激光干涉仪的臂长可做得很长,比如地面引力波干涉仪的臂长一般在千米的量级,远远超过共振棒的单位──米。
  鲜为人知的是,LIGO其实是一对“双胞胎”,为什么相同的装置要建造两个呢?原来,之前德国汉诺威的激光干涉仪GEO600经常会收到一种周期性信号,但经过分析大家才知道,原来是远在千里之外大西洋的海浪对北欧大陆造成的影响所致。此外,空中飞过的飞机、附近开过的汽车等因素都会对敏感的探测器产生影响。
  为了不引起乌龙,科学家采取了建设两个装置相互对比、相互校正。当然,建造引力波探测器网络,除了可以有效地甄别虚假信号之外,还可以更精确地测定引力波天体源的位置,分析引力波天体源的结构和性质。
  3展望:
  太空更易探测到中低频引力波
  然而,不管地面上的探测器如何提高灵敏度,仍然有其局限性。就像任何一个地面的天文望远镜也不可能像哈勃望远镜那样拍出一样的照片。
  喜欢天文观测的人都知道,晴朗的天气要比阴雨天更易于观测,高海拔、空气稀薄的地方比低海拔、空气稠密的地方易于观测。但是,这些观测点无一例外的都会受到地球大气层的影响。这是因为光线进入地球的过程中,会因大气层或其他因素而不断衰减,给观测带来不便。作为当前印证广义相对论最为重要的引力波探测也同样如此。
  根据中国科学院国家天文台研究员苟介绍,天体来源的引力波按照其质量等特征量的改变具有非常宽广的频段,从小于微赫兹至千赫兹跨越约10个量级。空间与地面引力波探测项目都使用了非常类似的探测方式,也就是激光干涉,差别在于测量频段和目标波源不同。
  受地面试验尺度的限制,地面探测频段被限制在10赫兹以上,探测的引力波源主要包括几十至几百太阳质量黑洞的并合系统、部分双中子星并合系统等,这些系统的尺度相对较小。而在太空中,试验尺度很容易达到非常大。同时,探测器也不会受到地表振动、重力梯度等噪声的干扰,所以能够相对比较容易地探测到频段在10~5赫兹到0.1赫兹的中低频引力波。与地面探测相比,太空探测的波源普遍来说是特征尺度非常大的天体系统,比如百万太阳质量的超大黑洞系统,以及极端质量比的黑洞系统等。
  根据欧空局的激光干涉空间天线(LISA)计划,将发射一颗主卫星、两颗副卫星,主卫星和副卫星之间相距100万公里,有来回两束激光,分别形成类似于LIGO的一个臂。由三个相同的航天器构成一个边长为250万公里的等边三角形,沿着与地球相同的日心轨道运行。
  中国在空间引力波探测方面也早已着手。中国科学院2016年年初就披露了引力波探测项目──空间太极(Taiji)计划。按计划,我国将在2030年前后发射引力波探测卫星组,进行中低频波段引力波的直接探测。卫星将采用无拖曵技术,星组中卫星间距300万公里,激光功率约2瓦,望远镜口径约0.5米。
  相比欧洲空间局的LISA计划,我国空间引力波探测的加速度噪音、测距精度等技术指标总体上更优,频率范围也覆盖了LISA的低频和日本DECIGO计划的中频。
  太极计划的主要科学目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射,以及其它的宇宙引力波辐射过程。
  不过,飞天探测引力波看起来很美好,但实际要面临的问题仍然很多。比如经过长距离的传播,激光扩散到较大的面积之后,如何提高接受到的光信号强度?如何让三颗卫星始终保持相对距离的稳定?这些问题都还有待科学家们来一一解决。
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