空间引力波探测： 在太空中捕捉引力波“音符”

不同频率引力波的探测方法

几天前，一条关于在太空中探测引力波的新闻在天文学界闪现。

根据欧洲航天局(欧空局)官方网站的报道，其科学项目委员会在6月20日的会议上一致决定正式指定LISA为欧空局第三大空间任务(L3)。根据时间表，LISA将于2034年开始探测空气中的引力波。

事实上，除了LISA，中国还计划在太空进行引力波探索。探测太空中的引力波和探测地面上的引力波有什么区别？当这些空间探测站投入运行时，地基引力波探测将发挥什么作用？《科技日报》的记者采访了这一领域的专家。

丽莎的使命

自从爱因斯坦预言了引力波的存在，许多科学家和科学研究机构一直在一个接一个地研究和观察引力波，试图通过各种科学实验捕捉引力波的痕迹。

简而言之，引力波是宇宙中巨大天体加速时产生的一种特殊的“时空波动”，可以想象为空间和时间本身的微小波动。当引力波传播时，它们会拉伸或挤压物体，但这些变形只是亚原子量级，也就是说，物质水平比原子小。因为它很小，所以很难观察。

经过几代人30多年的不懈努力以及技术和设备的更新，LIGO自2015年9月直接发现第一例引力波以来，已经明确发现了三例。LIGO的两台干涉仪都建在地面上，分别位于美国南海岸的路易斯安那州利文斯顿和美国西北海岸的华盛顿州汉福德。

与LIGO不同，LISA是第一个在太空建造的引力波天文台。三个相同的宇宙飞船形成一个边长为250万公里的等边三角形，沿着与地球相同的日心轨道运行。

LISA的任务进展喜忧参半。早在20世纪90年代，美国宇航局和欧洲航天局就计划合作推进LISA。然而，在2011年，由于预算问题，美国退出了任务。2013年，欧空局提议将其列为欧空局科学计划的第三大任务，但由于财政限制和其他问题，一项决定被推迟。

据报道，受LIGO多次探测引力波和丽莎探路者成功发射和完成科学任务第一阶段的启发，美国航天局打算投资20%的任务总额返回丽莎。在这方面，欧空局因此正式决定将LISA列入大型飞行任务的“名册”。如果一切顺利，LISA将在2034年开始探测空气中的引力波。

“作为空间引力波探测项目的代表，LISA在任务概念层面为空间引力波探测学科绘制了清晰的路径和平台，为其他国际空间激光干涉引力波探测项目的设计提供了参考。”中国科学院国家天文台研究员勾立军介绍。

空间和地面探测不同频率的“运动”

既然在地面上已经探测到引力波，为什么要发射探测器在太空中搜寻它们呢？

苟利军向《科技日报》记者展示了一张10-16赫兹至102赫兹及以上的引力波探测频谱图。图表上的直方图表明，空间干涉仪的探测范围约为10-4赫兹至0。

根据质量和其他特征量的变化，来自天体的引力波具有非常宽的频带，从小于微赫兹到千赫兹跨越大约10个数量级。应当特别注意的是，空间和地面引力波探测项目都使用非常相似的探测方法，即激光干扰。差异在于测量频带和目标波源之间的差异。

古利军队做了一个类比。如果把引力波比作音乐，天体发出高音调和低音调的声音，那么地面干涉仪“听”高音调的声音，而空间干涉仪“听”中等音调的声音。

受地面测试规模的限制，地面检测频带被限制在10 Hz以上。探测到的引力波源主要包括数十到数百个太阳质量黑洞的合并系统和一些双中子星合并系统。这些系统的规模相对较小。

在太空中，测试尺度很容易达到很大，而且探测器不会受到表面振动和重力梯度等噪声的干扰，因此在10-5 Hz到0.1 Hz的频率范围内探测中低频引力波相对容易。与地面探索相比，空间探索中使用的波源通常是具有非常大特征尺度的系统，例如质量数百万个太阳的超大质量黑洞系统，或非常远距离的恒星黑洞，以及质量比率极高的黑洞系统。

“地面引力波探测和空间引力波探测本质上是互补关系。结合起来，他们可以在更宽的波段内实现引力波探测和研究。”勾立君说。

业内人士指出，尽管LISA探路者2016年的结果已经证明LISA所需的检测技术是可行的，但实验中使用的两个检测设备当时仅相距38厘米。然而，当三个探测器相距250万公里时，保持它们之间的距离异常稳定要困难得多，因此卫星发射预计不会早于2034年。

低频引力波探测的新途径

除了LIGO和丽莎，还有其他探测引力波的技术途径吗？中国科学院国家天文台研究员平劲松和其他人最近的一项研究提供了另一种可能性。

平劲松参与的对地月空间高精度微波测距和测速技术的联合研究表明，在实现地月空间定位的导航和定时的同时，有机会通过连续测量超高精度探测器的星间距离和速度来支持空间低频引力波的探测。

“引力理论的验证是通过TT&C和深空飞行任务的导航平台实现的。通常情况下，探测并不是为了验证引力理论而专门安排的，而是卫星工程主要定轨任务中的副产品。检测的性价比极高。”平劲松告诉《科技日报》的记者。借助月球探测任务和深空微波测量技术，可以探测到频率范围为0.000.000002赫兹的引力波。

自1970年以来，以美国航天局为代表的深空探测机构一直在推动和尝试使用高精度微波速度测量技术，该技术最初用于探测器和地面站之间的引力波探测。然而，由于没有使用空间分布对称的探测器差分技术，误差较大，这是由于地球大气、电离层、板块运动、潮汐和地震的干扰。

“我们建议，在地月空间中，通过对称分布的拉格朗日平移点L4/L5的几何配置，来自地球和现有深空技术中的链路的干扰信息可以在差分速度和距离观测中被最大程度地抵消。”平劲松说。

假设一个小天体同时被两个互相绕着轨道运行的大天体吸引。当一个小天体移动到空间中的某一点时，它的力是平衡的，并且相对于两个大天体保持相对静止。这个点被称为两个大天体的拉格朗日平移点。平劲松解释说，在地球和月球运行的轨道平面上有两个三角形平动点L4和L5。每个天平动点和连接地球和月球的线可以形成一个等边三角形。引力波传播通常在到达另一个平移点之前到达其中一个平移点。当探测器设置在这两个点上时，两个探测器到月球表面或地面站的距离数据将被减去，这可以最大程度地抵消公共路径上出现的或公共测量设备接收到的干扰信息平劲松说:“我们可以在观测中保持对称分布的探测器之间的距离扰动信息，并试图分离出低频引力波事件。”