不僅能聽還能“測量”，歐洲LISA計劃將捕捉“僅其可見”的引力波

本文轉自：人民網-科普中國

你知道嗎？原本只能在地面上“聽見”的引力波，即將可以在太空中測量到了。歐洲今年正式立項空間引力波探測器LISA（Laser Interferometer Space Antenna）計劃。它的全名是激光干涉空間天線，目標是在太空中探測低頻的引力波。

大家可以把引力波想象成宇宙中的時空漣漪，就像在池塘裡扔一塊石頭，水面會蕩起波紋一樣，天體比如黑洞或中子星的劇烈運動也會產生這樣的漣漪。這種漣漪實際上是時空的波動，以光速傳播，我們稱之爲引力波。

那LISA是如何探測引力波的，爲什麼要在太空中測量引力波呢？

LISA的原理其實和地面上已經存在的引力波探測器激光干涉引力波天文臺LIGO（Laser Interferometer Gravitational-WaveObservatory）很像，都是採用激光干涉技術。LIGO通過分光鏡把一束激光分成兩束，在兩條長臂上來回反射。當引力波經過時，兩條反射臂的長度就會發生變化，這個變化極其微小，可能是質子半徑的千分之一，但是也會引起兩束激光的相位發生變化，當它們再碰到一起發生干涉時，亮度就會隨時間發生變化。引力波探測器就是利用這樣的原理來探測非常微弱的引力波信號的。

和地面上的LIGO不同，LISA把這種激光干涉儀搬到太空中去，它由三個相同的航天器組成，在地球身後數千萬公里處隨地球一起繞着太陽運轉。軌道設計的非常聰明，這三個航天器始終保持爲等邊三角形，這三個航天器相互之間相隔250萬公里。相當於激光臂長250萬公里，遠遠超過LIGO的4公里。

因此，工程技術的難度可想而知，如此遙遠的距離，如何確保能夠捕捉到250萬公里外發出的激光就很有挑戰性。而太空中複雜的環境使得航天器受到各種非引力的干擾，會導致探測引力波失敗。

爲此科學家使用了一種神奇的技術方案。在每個航天器中都裝有由金鉑合金製成的懸浮小立方體，它們被隔離在真空的空腔中。引力有個很神奇的性質，就是沒有辦法被屏蔽，但其它相互作用如電磁力則可以被屏蔽。這樣這些小立方體就只感受到引力的作用。但裝載它的航天器卻受到各種干擾。爲此，還需要用無拖拽技術，精密控制航天器，讓航天器隨着小立方體一起運動。當引力波通過時，這些質量塊之間的距離會微小的變化。LISA利用激光干涉技術精確測量這些變化，即使它們小到只有幾皮米（一皮米是萬億分之一米）也能被探測到。

如此長的臂長使得LISA能夠探測到毫赫茲頻段的引力波信號，這些低頻引力波通常來源於質量達百萬太陽質量的超大質量黑洞。這是地面的LIGO無法探測到的。由於LISA超高的靈敏度，它可以探測到宇宙剛誕生後的各種引力波信號，爲我們揭示宇宙早期的科學知識。

當然，我們國家也同時提出了太極和天琴兩個空間引力波探測項目，準備在太空中和LISA一較高下，共同探究宇宙的奧秘。

作者：中國科學院上海天文臺研究員韓文標

審覈：中國科學院國家空間科學中心研究員柳聰亮