欧洲航天局 (ESA) 已为首个从太空测量引力波的实验开了绿灯。
激光干涉空间天线 (LISA) 将利用激光束在太阳系 250 万公里范围内传播的精确计时，以寻找由超大质量黑洞合并等事件引起的巨大时空涟漪。
欧空局于 1 月 25 日宣布，这项耗资数十亿欧元的任务将于 2025 年开始建造，计划于 2035 年发射。“这非常令人兴奋，”德国加兴马克斯·普朗克天体物理研究所的天体物理学家、LISA 联盟成员瓦莱里娅·科罗尔说。“它将为只有 LISA 才能看到的引力波源打开一扇窗。”
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LISA 的规模意味着它将能够观测到比地球上可探测到的频率低得多的引力波。这将使该任务能够发现一些现象，例如相互绕转的黑洞，这些黑洞比地面激光干涉引力波天文台 (LIGO) 观测到的黑洞质量更大、距离更远，LIGO 于 2015 年首次探测到引力波。
这项任务酝酿已久。“我第一次为 LISA 撰写提案是在 31 年前，”德国汉诺威马克斯·普朗克引力物理研究所的天体物理学家、LISA 联盟负责人卡斯滕·丹兹曼说。该实验涉及测量激光在两个相距数百万公里的质量之间传播的距离，精度达到万亿分之一米，同时 除了时空本身外，没有任何东西会影响质量的运动。“人们认为这很荒谬。我说，‘等着瞧吧。’”
黄金三角
LISA 将由三艘相同的航天器组成，每艘都装载着一个 4.6 厘米的漂浮金铂立方体，以等边三角形阵型绕太阳轨道飞行。它将使用激光精确测量每艘航天器中立方体之间的距离，精确到能够分辨出何时引力波（由加速运动的大质量物体引起的微小时空波动）在它们之间拉伸时空，尺度为皮米。（一皮米为 10−12 米。）信号中的其他细微变化将使 LISA 能够精确定位引力波的来源。“这几乎是一种科幻小说式的仪器，”科罗尔说。
丹兹曼说，虽然在这种距离上进行如此精确的测量具有挑战性，但在许多方面，在太空中比在地球上更容易做到。“在太空中没有晃动，没有大气，没有振动，你只是在真空中飞行。”他说，困难的部分是使这项技术足够可靠以应对所有意外情况。“你不能只是派一个博士后去那里修理它。”
LISA 将对波长在 30 万公里到 30 亿公里之间的引力波敏感。这比 LIGO 在地球上探测到的波长更长，比脉冲星计时阵列（使用“信标”星观测星系范围引力波的研究）看到的波长更短。
互补测量
丹兹曼说，所有这些实验都将观察不同的现象并产生互补的数据，就像射电望远镜和可见光仪器所做的那样。LISA 庞大的规模将使其能够探测到超大质量黑洞合并时产生的引力波，以及比 LIGO 可以看到的更早碰撞阶段的系统的信号。LISA 还应该能够捕捉到全新的现象，例如碰撞的白矮星的螺旋运动（白矮星比黑洞更大），以及两个合并的黑洞质量差异巨大的系统。
科罗尔说，宇宙学家希望这项实验还能探测到早期宇宙中产生的引力波背景噪声（理论已预测到），甚至可能探测到来自最早黑洞的信号。由于 LISA 还能测量其探测到的源的距离，科学家们希望其数据将有助于测量宇宙膨胀速度的变化。
中国也计划在 2030 年代发射一个太空引力波探测器。中国科学院大学北京物理学家、正在探索的两个拟议任务之一“太极计划”的首席科学家武岳良表示，LISA 的发展为这样的任务提供了更有力的理由。“太极”和 LISA 团队希望这些任务能够重叠，以便它们可以在“太空引力波探测器网络”中相互补充，武岳良说。
他补充说，欧空局为 LISA 开绿灯是“科学界的重大里程碑”。
本文经许可转载，并于 2024 年 1 月 26 日首次发表。