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欧洲空间局为引力波探路
任天文
目前对于探测引力波所需的技术已经有了正式的测试计划.欧洲空间局的“激光干涉空间天线开路者号”探测器正在距离地球约150 万千米的地方进行着一系列实验.理所当然地,这项计划引起了大量关注,因为就在2015 年9 月,地面观测台第一次探测到“宇宙的涟漪”——引力波.LPF 的演示如果能获得成功,将为计划于2034 年发射的一座功能齐全的空间引力波天文台铺平道路.这座空间天文台将会被简称为“L i s a”,是“激光干涉仪空间天线的简写.欧洲空间局的负责L P F 项目的科学家保罗·麦克纳马拉说,“现在是一个好时机,我已经把整个职业生涯投入到这项研究之中,而许多年来别人一直跟我们说引力波并不存在,或者我们不可能找到它们.现在我们发现它们了,而且我们还要接着跨出一大步,建造一个天文台,在太空中探测它们.”
位于地球表面的激光干涉仪放置在美国的Ligo 设施内,对“较小”宇宙事件产生的引力波十分敏感.2015 年9 月, 两座L i g o设施观测到了两个黑洞产生的引力波信号,每个黑洞的质量大约为太阳的30 倍,它们相互旋转并融合.而位于太空的激光干涉仪将追踪质量大得多的目标,例如星系碰撞时合并而成的“怪物级”黑洞,其质量是太阳的数百万倍.另一方面,太空天文台还可能观测到比L i g o 所观测的更小的事件——实际只是事件演化过程的不同阶段.
粗略的计算显示,如果一个功能齐全的L i s a 天文台早就存在,就将提前4 年探测到Ligo 所发现的相互绕转的黑洞.在那个时段,黑洞绕转时发出的引力波信号频率会经过太空激光干涉仪的灵敏度范围.L P F 只包含一个设备,用于测量并维持两个小型金- 铂金块之间38 厘米的间隔.这些“测试重块”将被允许在探测器内部自由飘浮,而一个激光系统将尝试对它们的行为进行监视,寻找只有几皮米(1 皮米等于1 米的一万亿分之一) 的路径偏差.这种差别比原子的直径还要小得多.这就好比测量伦敦碎片大厦顶部与纽约世贸中心一号大厦顶部之间的距离,然后观察是否出现只有人类头发直径大小的变化.对于太空天文台来说,这是一个非常有挑战性的目标,但如果想要探测到极端微弱的“时空涟漪”,这样的表现是必需的.麦克纳马拉博士说,“开始的几天将会非常无聊；我们什么都做不了,我们只是让这两个测试重块在太空中自由飘浮,然后通过观察来不断学习,因为这种类型的实验此前从未有人做过.然后我们开始探测我们的物理实验室.我们想知道什么因素会使这些测试重块脱离自由落体运动.”
L P F 无法自己探测引力波.为了完成这一任务,测试重块之间38 厘米的间隔需要整个探测器被发射到距离地球100 万千米甚至更远的位置上——这也是L i s a任务要达到的目标.但是,有了LPF,就可以对度量衡原则进行确认,最重要的是,科学家可以开始对那些必将干扰实验的“噪音”类型进行定性.对L P F 来说,有些噪音来源于内部设备自身的电流；此外还有一些可能会推动重块偏离自由落体的物理因素,包括探测器内细微的温度变化,以及探测器本身质量所产生的近乎无法感知的引力牵拉.
科学探索为了维持最理想的自由落体环境,L P F 必须从头到尾一直绕着测试重块飞行,保护它们免受阳光压力或细小的微陨石的影响.要做到这些,L P F 要喷出微量的气体以产生细微的推力.“L P F上面的冷气体推进器通常产生的推力,如果在地球上,只能够阻止一片雪花落下,”空中客车防务与航空公司的拉尔夫·科尔代博士解释道.L P F 探测器正是在该公司位于英国的基地组装的.
L P F 实际上具有两组独立的微型推进器,各自有独立的控制系统.其中一组由欧洲的工业界提供,另一组是美国航空航天局(NASA) 的项目成果.在最初的三个月里,欧洲的推进器将完成所有工作；从夏季往后,美国的控制系统和推进器将接管工作,并支持激光干涉仪的测量.一旦所有的测试完成,L P F 将可能运行一些额外的、与引力波无关的实验.目前正在考虑的想法包括探测近地小行星.这项工作可以用探测器上空闲的天体追踪器进行.该仪器的导航传感器将被编程,以向地球报告其视野中意料之外的小行星运动.另一项可能的实验是利用L P F 探测器上的超灵敏仪器对“Big G”进行定量,即万有引力常数.这是牛顿力学中最基础的数值,在研究两个距离已知的质体之间有多大的引力时至关重要.在地球的实验室里,通过扭秤可以很精确地得到万有引力常数,但利用L P F 进行测量,将为物理学家提供完全不一样的精确数值.
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