為引力波太空探測鋪路:LPF探測器開始測試

激光干涉空間天線開路者號(Lisa Pathfinder)是歐洲空間局的一個空間探測器,位於朝著太陽的方向,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)的太空天文台,我們可能那時就能探測到Ligo發現的黑洞合并現象

新浪科技訊 北京時間4月2日消息,對於探測引力波所需的技術,目前已經有了正式的測試計劃。歐洲空間局的「激光干涉空間天線開路者號」探測器(Lisa Pathfinder,LPF)正在距離地球約150萬公里的地方進行著一系列實驗。

理所當然地,這項計劃得到了大量關注,因為就在去年9月,地面觀測台第一次探測到「宇宙的漣漪」——引力波。LPF的演示如果能獲得成功,將為計劃於2034年發射的一座功能齊全的空間引力波天文台鋪平道路。

這座空間天文台將會被簡稱為「Lisa」,是「激光干涉儀空間天線」(Laser Interferometer Space Antenna)的簡寫。「現在是一個非常棒的時機,」歐洲空間局的負責LPF項目的科學家保羅·麥克納馬拉(Paul McNamara)說,「我已經把整個職業生涯投入到這項研究之中,而許多年來別人一直跟我們說——有些情況下甚至是嘲笑——引力波並不存在,或者我們不可能找到它們。好了,現在我們發現它們了,而且我們還要接著跨出一大步,建造一個天文台,在太空中探測它們。」

位於地球表面的激光干涉儀放置在美國的Ligo(激光干涉引力波觀測台)設施內,對「較小」宇宙事件產生的引力波十分敏感。2015年9月,兩座Ligo設施觀測到了兩個黑洞產生的引力波信號,每個黑洞的質量大約為太陽的30倍,它們相互旋轉並融合。

位於太空的激光干涉儀將追蹤質量大得多的目標,例如星系碰撞時合并而成的「怪物級」黑洞,其質量是太陽的數百萬倍。另一方面,太空天文台還可能觀測到比Ligo所觀測的更小的事件——實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探測器內部的激光干涉系統示意圖

可獲得的預算額度將決定實際操作中Lisa任務的布局

粗略的計算顯示,如果一個功能齊全的Lisa天文台早就存在,就將提前4年探測到Ligo所發現的相互繞轉的黑洞。在那個時段,黑洞繞轉時發出的引力波信號頻率會經過太空激光干涉儀的靈敏度範圍。

LPF只包含一個設備,用於測量並維持兩個小型金-鉑金塊之間38厘米的間隔。在上周二開始的實驗中,這些「測試重塊」將被允許在探測器內部自由飄浮,而一個激光系統將嘗試對它們的行為進行監視,尋找只有幾皮米(1皮米等於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,這就好比測量倫敦碎片大廈頂部與紐約世貿中心一號大廈頂部之間的距離,然後觀察是否出現只有人類頭髮直徑大小的變化。對於太空天文台來說,這是一個非常有挑戰性的目標,但如果想要探測到極端微弱的「時空漣漪」,這樣的表現是必需的。

「一開始的幾天將會非常無聊；我們什麼都做不了,」麥克納馬拉博士說,「我們只是讓這兩個測試重塊在太空中自由飄浮,然後通過觀察來不斷學習,因為這種類型的實驗此前從未有人做過。然後我們會開始探測我們的物理實驗室。我們想知道什麼因素會使這些測試重塊脫離自由落體運動。」

天體追蹤器通常用來導航,但也可以用於尋找小行星

LPF會噴出氣體,從而繞著測試重塊飛行

LPF無法自己探測引力波。為了完成這一任務,測試重塊之間38厘米的間隔需要整個探測器被發射到距離地球100萬公里甚至更遠的位置上——這也是Lisa任務要達到的目標。但是,有了LPF,就可以對度量衡原則進行確認,最重要的是,科學家可以開始對那些必將干擾實驗的「噪音」類型進行定性。

對LPF來說,有些噪音來源於內部設備自身的電流；此外還有一些可能會推動重塊偏離自由落體的物理因素,包括探測器內細微的溫度變化,以及探測器本身質量所產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境,LPF必須從頭到尾一直繞著測試重塊飛行,保護它們免受陽光壓力或細小的微隕石的影響。要做到這些,LPF要噴出微量的氣體,以產生細微的推力。「LPF上面的冷氣體推進器通常產生的推力,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探測器正是在該公司位於英國的基地組裝的。

LPF實際上具有兩組獨立的微型推進器,各自有獨立的控制系統。其中一組由歐洲的工業界提供；另一組是美國航空航天局(NASA)的項目成果。在最初的三個月里,歐洲的推進器將完成所有工作；從夏季往後,美國的控制系統和推進器將接管工作,並支持激光干涉儀的測量。

一旦所有的測試完成,LPF將可能運行一些額外的、與引力波無關的實驗。目前正在考慮的想法包括探測近地小行星。這項工作可以用探測器上空閑的天體追蹤器進行。該儀器的導航感測器將被編程,以向地球報告其視野中意料之外的小行星運動。

另一項可能的實驗是利用LPF探測器上的超靈敏儀器對「Big G」進行定量,即萬有引力常數。這是牛頓力學中最基礎的數值,在研究兩個距離已知的質體之間有多大的引力時至關重要。在地球的實驗室里,通過扭秤可以很精確地得到萬有引力常數,但利用LPF進行測量,將為物理學家提供完全不一樣的精確數值。(任天)

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