时空的结构中的涟漪,从巨大的宇宙事件中定期划过宇宙,例如质量是太阳数百万到数十亿倍的超大质量黑洞的合并。这些所谓的引力波应该无处不在,但又极其微弱,至今还没有实验记录到经过的引力波引起的扰动。激光干涉仪空间天线(Laser Interferometer Space Antenna),简称LISA,原本计划正是要做到这一点。这个空间天文台,也被称为LISA,本应是美国国家航空航天局(NASA)和欧洲空间局(ESA)之间的联合任务,旨在探测引力波,为科学家们提供一个全新的窗口,以观察宇宙并理解其基本原理。
下一代詹姆斯·韦伯空间望远镜的成本超支显然加速了这项雄心勃勃的联合任务的终结——NASA和ESA在2011年3月解散了他们长达十年的LISA合作伙伴关系。然而,关于其死亡的报道可能被大大夸大了,因为研究人员仍在为发射而努力奋斗。科学家们坚持认为,即使是缩减规模的项目,仍然很有可能取得革命性的发现。
按照最初的计划,LISA将包括三个相同的航天器,在环绕太阳的轨道上尾随地球。每个航天器都将用激光瞄准另外两个,形成一个边长为五百万公里的光三角形。在为期五年的任务中,激光束将有助于探测到引力波通过时引起的航天器排列的细微扰动。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章,请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道: 订阅。通过购买订阅,您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事能够继续存在。
自从NASA和ESA停止在LISA项目上合作后,该项目就淡出了人们的视野。“可以公平地说,很多人,甚至包括天文学家,都认为LISA项目已经被取消了,” NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家罗宾·斯特宾斯(Robin Stebbins)说,他正在领导该机构的引力波任务概念研究。
但实际上,每个机构都在各自调查单独进行成本更低、精简版任务的可能性。“伙伴关系可能已经结束,但概念、社群和热情并没有消亡,”马里兰大学帕克分校的天体物理学家泰森·利滕伯格(Tyson Littenberg)说。
此外,我们对星系和黑洞演化的理解的进步表明,这些后继者可能只会比LISA观测到的少一点。“在极短的时间内,LISA社群真正聚集在一起,对我们可能以更低的成本完成什么进行了大量的研究,”普林斯顿大学的天体物理学家肖恩·麦克威廉姆斯(Sean McWilliams)说。“没有人放弃。”
一种方案是缩小LISA的三角形,将每条边缩短到只有一百万公里长。较小的三角形意味着设置卫星到位所需的推进剂更少,从而节省资金。这样的举动将改变卫星可以探测到的引力波类型——较小的边意味着仅对来自较小物体的较小波长敏感。
缩小的三角形仍然会对来自中等质量黑洞的引力波敏感——这些黑洞的质量是太阳的10,000到100,000倍——它们是几乎每个大型星系中心看到的超大质量黑洞的基石。最近的天体物理学研究表明,大多数黑洞合并都涉及中等质量黑洞的合并。因此,根据麦克威廉姆斯1月9日在德克萨斯州奥斯汀举行的美国天文学会会议上详细介绍的发现,较小的三角形可以揭示关于星系和超大质量黑洞如何形成的奥秘。
对任务架构更大幅度的改变是将其中一条边切掉,将编队从三角形变为V形。这样的任务仍然可以探测到引力波,但如果没有第三条边提供的额外信息,天文台在精确定位引力波源的位置和确定其属性方面将大大逊色。少一条边意味着更少的硬件,从而使卫星更小,这可以节省发射成本。
ESA可能会采取涉及更短边长、少一条边以及任务时长为两年而非五年的策略。LISA伙伴关系的解散意味着该空间机构不能依赖NASA提供运载火箭,而且考虑到成本,ESA将不得不使用更小、能力更弱的卫星,以适应更小的俄罗斯联盟号火箭。虽然欧洲主导的项目,被称为演化版LISA(eLISA)或新的引力波天文台(NGO),肯定不如完整的LISA项目强大,“但ESA迄今为止已经在LISA项目上投资了超过5亿欧元,因此它不太可能退出,”斯特宾斯说。如果ESA继续推进该任务,NASA可能会以次要合作伙伴的身份参与。
就NASA而言,如果ESA不继续推进其自身的任务,NASA正在调查类LISA概念的太空引力波天文台(SGO)的成本和能力。虽然最初的LISA项目将耗资约20亿美元,但如果NASA单独行动,总成本实际上将减少约4亿美元,这既避免了与合作伙伴合作带来的一些额外费用,也得益于使用像SpaceX这样的新型商业太空发射公司,斯特宾斯说。
问题在于ESA本应为伙伴关系带来资金,而16亿美元对于资金紧张的NASA来说实在太多了。研究人员已经向NASA提出了许多任务概念,这些概念具有更短或更少的臂,以及不同的轨道或寿命(可以在此处查看),但价格标签通常仍在10亿美元到20亿美元之间;斯特宾斯说,NASA目前对3亿美元到6亿美元的任务更感兴趣。
ESA将在四月份对其引力波任务做出决定,如果决定推进,则可能在10年内发射。即使欧洲航天局今年决定不推进,也可能在下一次提出的任务竞争中这样做,并有可能在2028年发射。虽然这样的任务可能不如LISA强大,“但如果你问问研究这个项目的科学家,他们是否会继续推进,或者根本不进行这样的任务,答案肯定是要继续推进,”斯特宾斯说。“我们已经有了400年的光学望远镜,但没有引力辐射的经验,引力辐射是宇宙在天文学方面的主要力场。这可能会彻底改变我们观察宇宙的方式。”