□ 阿爾伯特?愛(ài)因斯坦研究所 胡一鳴

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LISA探路者,空間引力波探測(cè)的里程碑

□ 阿爾伯特?愛(ài)因斯坦研究所 胡一鳴

圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

引力波

1905年，被后人稱(chēng)為物理學(xué)奇跡年，聯(lián)合國(guó)教科文組織還把一個(gè)世紀(jì)以后的2005年定為國(guó)際物理年，以此紀(jì)念100年前那個(gè)用三篇論文改變世界的26歲小伙——阿爾伯特?愛(ài)因斯坦。這一年，他分別發(fā)表了三篇論文：建立了狹義相對(duì)論，解釋了布朗運(yùn)動(dòng)，提出了光量子假說(shuō)。

然而，十年之后，又是一個(gè)具有劃時(shí)代意義的奇跡年。在經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)10年的冥想苦思之后，愛(ài)因斯坦終于確定了描述引力的場(chǎng)方程。1915年11月25日，他正式提交了描述廣義相對(duì)論公式的論文，向世人正式揭曉了那一石破天驚的結(jié)論：引力，不過(guò)就是時(shí)空的彎曲。

整整一個(gè)世紀(jì)之后，此時(shí)此刻，我們又迎來(lái)了一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)代。2015年9月18日，脫胎換骨后的地面引力波探測(cè)器aLIGO（Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)）正式開(kāi)始工作；2015年12月3日，LISA探路者將正式發(fā)射升天。我們，屏息凝神，聆聽(tīng)宇宙。

這一刻，大概愛(ài)因斯坦做夢(mèng)也沒(méi)有想到過(guò)。推導(dǎo)出廣義相對(duì)論之后，他很快就意識(shí)到，如同電磁波一樣，引力也是以波動(dòng)的形式傳播，且其速度就是光速。他隨后在論文中做出斷言，引力波太過(guò)微弱，想要探測(cè)難于上青天。

很多科學(xué)家窮盡一生想證明愛(ài)因斯坦錯(cuò)了，然而成功的人并不多，探測(cè)引力波的人算是其中一員。愛(ài)因斯坦這回真的“錯(cuò)”了：引力波確實(shí)很弱，但并非無(wú)法探測(cè)。利用激光干涉的方法，加上一系列高精尖的突破性技術(shù)，我們可以探測(cè)到非常微小的時(shí)空擾動(dòng)。如果把我們的探測(cè)器延長(zhǎng)，一頭在地球，一頭在太陽(yáng)，探測(cè)器長(zhǎng)度發(fā)生哪怕只有一個(gè)原子尺度的變化，位于美國(guó)的aLIGO都可以把它探測(cè)出來(lái)。

然而，地球表面的探測(cè)器也有自己的苦楚。正是因?yàn)樗鼘?shí)在太靈敏了，稍有風(fēng)吹草動(dòng)它都會(huì)受到影響。一千米高處飄過(guò)的白云，幾千米外卡車(chē)駛過(guò)高速公路，幾十千米外的工人在伐木，幾百千米外海浪拍著沙灘，都會(huì)在aLIGO探測(cè)器上留下蹤跡。由于這些噪聲的存在，在地面上我們只能關(guān)注高頻的引力波（100~1000Hz），低頻的信號(hào)只能放棄了。要探測(cè)頻率低很多的引力波信號(hào)，就必須遠(yuǎn)離地球，向太空進(jìn)發(fā)。

LISA

空間探測(cè)引力波的項(xiàng)目并不像地面項(xiàng)目這么幸運(yùn)?？臻g項(xiàng)目一向以其高風(fēng)險(xiǎn)著稱(chēng)，一旦發(fā)生故障，基本上儀器就徹底報(bào)廢，除非花大錢(qián)更換零件（比如盡人皆知的哈勃望遠(yuǎn)鏡）或者更換科學(xué)目標(biāo)（比如搜尋太陽(yáng)系外行星的開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡）。

太空激光干涉儀LISA，首次被提出是在20世紀(jì)六七十年代，但是直到今天，距離發(fā)射依然遙遙無(wú)期。在最初的設(shè)計(jì)中，3個(gè)探測(cè)器兩兩之間形成相距500萬(wàn)千米的干涉臂，相當(dāng)于從地球到月亮距離的13倍，一共可以構(gòu)成3個(gè)干涉儀。正是因?yàn)槿绱诉b遠(yuǎn)的距離，所以這些衛(wèi)星一旦發(fā)生故障，要維修是根本不可能的。

其實(shí)，LISA的預(yù)計(jì)發(fā)射期，一直以來(lái)都是“大概10年之內(nèi)”。起初是研發(fā)過(guò)程一波三折，技術(shù)難題接踵而至，導(dǎo)致發(fā)射期一拖再拖；然而當(dāng)技術(shù)日趨成熟之際，技術(shù)的可靠性又受到了質(zhì)疑，而使得后續(xù)經(jīng)費(fèi)無(wú)法得到保障。于是LISA團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)折中的方案：先發(fā)射一個(gè)探路器，測(cè)試LISA所用到的高精度空間測(cè)距技術(shù)，這要比發(fā)射3顆衛(wèi)星便宜得多，可行性也高得多。如果一切運(yùn)行穩(wěn)定正常，到時(shí)候再撥錢(qián)給

LISA探路者

LISA探路者需要做的，就是把整個(gè)100萬(wàn)千米的LISA基線濃縮到一個(gè)人造衛(wèi)星之內(nèi)，讓兩個(gè)相距38厘米的無(wú)拖曳金鉑立方體處于失重狀態(tài)，并屏蔽外界的各種因素對(duì)兩個(gè)立方體的干擾，使用微推進(jìn)器極為精密地修正衛(wèi)星的位置使得太陽(yáng)風(fēng)等因素不至于使立方體的軌道碰撞到衛(wèi)星的內(nèi)壁，之后再用激光干涉技術(shù)測(cè)量它們的測(cè)地線偏差。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是自由落體。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)，需要保證兩個(gè)金鉑立方體處于自由落體狀態(tài)，并用激光干涉測(cè)量期間距離的微小變化。所以，它需要飛行到地球引力與太陽(yáng)引力互相平衡的拉格朗日點(diǎn)，讓間隔38厘米的兩個(gè)被測(cè)立方體處于自由下落（失重）的狀態(tài)。探測(cè)器所有的功能，就是保證置于其中的兩個(gè)立方體自由下落，不受外界干擾。

自由落體并不難，真正困難的是要達(dá)到那令人嘆為觀止的測(cè)量精度：1皮米，即 10-12米（原子半徑都比這個(gè)量級(jí)大100倍）。連探測(cè)器里不同零件的布局都要用精確的計(jì)算機(jī)建模來(lái)反復(fù)修改配重，從而平衡兩個(gè)金鉑立方體所受到的探測(cè)器本身的引力。

另外，兩個(gè)金鉑立方體需要控制在一個(gè)很狹小的范圍內(nèi)。在一定范圍內(nèi)讓兩個(gè)立方體自由飄動(dòng)，飄得太過(guò)分了就糾正一下，再繼續(xù)飄動(dòng)。這里的糾正需要用非常微小而又非常精確的控制器，而所有這一切都得裝在一個(gè)很小的探測(cè)器里。螺螄殼里做道場(chǎng)也不過(guò)如此。

所謂的自由落體，就是要保證立方體只能受到引力作用，所以金鉑立方體不能曬太陽(yáng)：一旦陽(yáng)光直射，太陽(yáng)光的光壓會(huì)推動(dòng)它偏離自由落體的狀態(tài)。另外，火箭發(fā)射時(shí)衛(wèi)星會(huì)經(jīng)歷很強(qiáng)的加速度和顛簸，如此精密的儀器要是在發(fā)射時(shí)被顛壞了，可就不好玩了。LISA——這就是 LISA探路者的由來(lái)。

LISA探路者要保證它內(nèi)部的兩個(gè)金鉑立方體處于自由落體狀態(tài)，并用激光干涉測(cè)量期間距離的微小變化，以驗(yàn)證未來(lái) eLISA將要用到的技術(shù)是否切實(shí)可行。圖片來(lái)源：ESA

可惜，金融危機(jī)的到來(lái)使得NASA（美國(guó)航天局）大幅度削減經(jīng)費(fèi)，大批天文項(xiàng)目紛紛被砍，LISA也不例外。幸好，這個(gè)項(xiàng)目從一開(kāi)始就不是靠著NASA一個(gè)“人”在戰(zhàn)斗，美國(guó)人退出了，ESA（歐洲空間局）就此接手。然而ESA也是青黃不接之時(shí)，LISA只能做出讓步，把探測(cè)器間距縮短到100萬(wàn)千米，干涉臂也減到了2條，只能組成一個(gè)干涉儀，甚至連名字都改成了 eLISA。這一切的努力都沒(méi)有什么回報(bào)，ESA在慎重比較之后，還是選擇放棄了eLISA項(xiàng)目。雖然eLISA依然有希望在2030年之后得到經(jīng)費(fèi)發(fā)射上天，但那已經(jīng)是很遙遠(yuǎn)的事情了，為eLISA開(kāi)發(fā)出技術(shù)的科研團(tuán)隊(duì)都將面臨退休和改行的問(wèn)題，重新開(kāi)發(fā)意味著之前努力的極大浪費(fèi)?？蒲惺芙?jīng)濟(jì)環(huán)境的影響不禁讓人唏噓。

LISA原計(jì)劃利用相互間隔500萬(wàn)千米的3個(gè)探測(cè)器，構(gòu)成3個(gè)空間激光干涉儀，用來(lái)探測(cè)引力波信號(hào)。圖片來(lái)源：NASA

不知道該說(shuō)是幸運(yùn)，還是不幸，LISA探路者的發(fā)射已經(jīng)板上釘釘了，所以照舊發(fā)射不誤。原先熱情滿滿搞LISA的人，只能寄希望于這個(gè)探路者表現(xiàn)出色了。畢竟，20年后能不能拿到經(jīng)費(fèi)給LISA續(xù)命，就在此一搏了。

天琴，中國(guó)的空間引力波探測(cè)之路

引力波，是一扇全新的窗口。引力波的頻率遠(yuǎn)低于電磁波，就像人耳聽(tīng)到的聲波頻率遠(yuǎn)低于可見(jiàn)光的頻率；地面引力波的定位，很大程度上依賴(lài)于信號(hào)到達(dá)不同探測(cè)器的時(shí)間差，這一點(diǎn)又和人耳定位的原理不謀而合，如果說(shuō)傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡讓天文學(xué)家開(kāi)眼看世界，那么引力波就將打開(kāi)天文學(xué)家一直閉塞的耳朵。

隨著aLIGO的啟動(dòng)和LISA探路者的成功上天，全世界的目光都聚集在這一物理學(xué)最后的寶藏上，中國(guó)的科學(xué)家們自然也不例外。

就在最近，描述我國(guó)自主設(shè)計(jì)的空間引力波探測(cè)計(jì)劃——天琴計(jì)劃——正式發(fā)表在引力科研期刊《經(jīng)典與量子引力》上。這個(gè)由我國(guó)著名引力專(zhuān)家羅俊院士帶頭的計(jì)劃極具雄心，且目標(biāo)明確：做出全世界第一個(gè)空間引力波的探測(cè)。許多已有的空間引力波探測(cè)項(xiàng)目都想一口氣吃成胖子，想把許多信號(hào)都一網(wǎng)打盡。我國(guó)的技術(shù)發(fā)展起步相對(duì)較晚，要想競(jìng)爭(zhēng)，必須走一條不一樣的道路。天琴計(jì)劃的目標(biāo)源十分明確——RX J0806.3+1527這一對(duì)銀河系內(nèi)的白矮星雙星，它們有著極短的公轉(zhuǎn)周期（321.5秒），以及相對(duì)較近的距離（5000角秒以?xún)?nèi)）。如果儀器運(yùn)行一切正常，僅僅需要三個(gè)月，我們就可以實(shí)現(xiàn)第一次太空引力波探測(cè)器的成功探測(cè)！

在這個(gè)計(jì)劃中，三顆衛(wèi)星所構(gòu)成的等邊三角形將圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，這大大降低了涉及軌道和發(fā)射的難度；而同時(shí)，距離測(cè)量的精度則達(dá)到了1皮米。相距10萬(wàn)千米的衛(wèi)星測(cè)距精度所達(dá)到的1皮米，和LISA探路者實(shí)現(xiàn)的相隔38厘米測(cè)量精確至1皮米的精度相比，又是困難了不少。一葉知秋，由這一細(xì)節(jié)就可想見(jiàn)這個(gè)項(xiàng)目的雄心。

廣義相對(duì)論百年華誕之際，引力波的喜訊接踵而至，讓人喜不自禁；更讓我們中國(guó)人自豪的是，在這發(fā)掘物理學(xué)最后寶藏的隊(duì)伍中，活躍著我們中國(guó)科學(xué)家的身影，在空間引力波探測(cè)的最前沿為空間引力波的第一曲奏鳴而奮斗。

讓我們洗耳恭聽(tīng)，靜待宇宙的美妙華章。