空間引力波探測： 在太空中捕捉引力波“音符”

不同頻率引力波的探測方式。（圖片來源：《科技日報》）

日前，一條有關空間引力波探測的消息在天文圈被刷屏。

據歐洲太空局（以下簡稱歐空局）官網報道，其下屬科學項目委員會在6月20日舉行的會議中一致決定，將探測引力波的激光干涉空間天線（LISA）正式確定為歐空局第三大型空間任務（L3）。根據時間表，LISA將在2034年開始從空中探測引力波。

事實上，除LISA外，我國也計劃在空間展開引力波探索。那麼相對於地基引力波探測，空間探測引力波有什麼不同？當這些空間探測站投入使用后，地基引力波探測還將發揮哪些作用？科技日報記者就此採訪了業內專家。

一波三折的LISA任務

自愛因斯坦預言引力波的存在以來，無數科學家和科研機構前赴后繼地研究和觀測引力波，通過各種科學實驗設法捕捉引力波的蹤跡。

簡單地說，引力波是巨大天體在加速運動時在宇宙中產生的一種特殊的“時空漣漪”，可以將其想象成在時空本身的微小起伏。隨著引力波的傳播，它將拉伸或擠壓物體，但這些形變僅僅有亞原子量級，也就是比原子更微小的物質層次。因為微小，所以觀測起來非常不易。

經過幾代人30多年的不懈努力和技術及裝置上的一次次更新，激光干涉引力波天文台（LIGO）自2015年9月直接探測到第一例引力波事例以來，已經確定探測到了三例。LIGO的兩個干涉儀都建在地面，分別位於相距3000公裡的美國南海岸路易斯安那州的利文思頓和美國西北海岸華盛頓州的漢福德。

不同於LIGO，LISA是首個建在太空中的引力波天文台，由三個相同的航天器構成一個邊長為250萬公裡的等邊三角形，沿著與地球相同的日心軌道運行。

LISA任務的進展可謂一波三折。早在20世紀90年代，美國航空航天局（NASA）和歐洲航天局計劃合作推進LISA任務。但到了2011年，美方因預算問題退出該任務。2013年歐空局提議，將其列為歐空局科學計劃中的第三大任務，但由於經費緊張等問題遲遲沒有做出決定。

據報道，在LIGO多次探測到引力波，以及LISA探路者成功發射並完成第一階段科學任務的激勵下，NASA有意出資任務總額的20%重回LISA。在此背景下，歐空局因此正式決定，將LISA納入大型任務“花名冊”。如果進展順利，LISA將在2034年開始從空中探測引力波。

“作為空間引力波探測項目的代表，LISA 在任務概念的層面為空間引力波探測學科描繪出了清晰的路徑與平台，為國際上其他空間激光干涉引力波探測項目的設計提供了參考。”中國科學院國家天文台研究員苟利軍介紹。

空間與地面探測不同頻率“樂章”

既然在地面上已經探測到了引力波，為什麼還要發射探測器去太空中尋找呢？

苟利軍向科技日報記者展示了一張引力波探測范圍的頻譜圖，從10-16赫茲到102赫茲及以上，圖上用一個柱狀圖標示出了太空干涉儀覆蓋的探測范圍大約為10-4赫茲到0。

天體來源的引力波按照其質量等特征量的改變具有非常寬廣的頻段, 從小於微赫茲至千赫茲跨越約10個量級。需要特別說明的是，空間與地面引力波探測項目都使用了非常類似的探測方式，也就是激光干涉，差別在於測量頻段和目標波源不同。

苟利軍打了個比方。如果把引力波比作是樂聲，天體發出聲音有高音和低音，那麼，地面干涉儀“聽”到的就是高音，而太空干涉儀“聽”到的則是中低音。

受地面試驗尺度的限制，地面探測頻段被限制在10赫茲以上，探測的引力波源主要包括幾十至幾百太陽質量黑洞的並合系統、部分雙中子星並合系統等。這些系統的尺度相對較小。

而在太空中，試驗尺度很容易達到非常大，同時探測器也不會受到地表振動、重力梯度等噪聲的干擾，所以能夠相對比較容易地探測到頻段在10－5赫茲到0.1赫茲的中低頻引力波。和地面探測相比，太空探測的波源普遍來說特征尺度非常大的系統，比如百萬太陽質量的超大黑洞系統、或者恆星量級黑洞在距離很遠的時候，以及極端質量比的黑洞系統等。

“地面引力波探測與空間引力波探測，實質上是一個互為補充的關系，兩者結合在一起可實現更加寬廣波段的引力波探測與研究。”苟利軍說道。

有業內人士指出，盡管LISA探路者2016年的結果已經証明LISA所需的探測技術是可行的，但當時實驗所用的兩個探測設備僅僅相隔38厘米，然而要讓三個探測器在彼此相隔250萬公裡的情況下保持距離異常穩定，技術挑戰要大得多，所以預期衛星發射不會早於2034年。

低頻引力波探測的新路徑

探測引力波，除了以LIGO為代表的地面激光干涉測距，和以LISA為代表的空間激光干涉測距外，是否還有別的技術路徑？中國科學院國家天文台研究員平勁鬆等人最近的一項研究成果提供了另外的一種可能性。

平勁鬆參與的一項地月空間高精度微波測距測速技術聯合研究表明，在實現對地月空間定位導航授時的同時，有機會通過超高精度的探測器星間距離和速度的連續測量，支持對空間低頻引力波的探測。

“借助深空任務的測控和導航平台實現對引力理論的驗証，通常不是專門為驗証引力理論安排的探測，而是在衛星工程主要的測定軌任務中嵌入的副產品。探測的性價比超高。”平勁鬆向科技日報記者介紹道。借助月球探測任務，用深空微波測量技術，可以探測0.001—0.000002赫茲頻段的引力波。

1970年以來，以NASA為代表的深空探測機構，一直在努力推動和嘗試將原本用在探測器—地面站之間高精度微波測速技術用於引力波探測。但由於沒有使用空間對稱分布的探測器差分技術，受地球上大氣、電離層、板塊運動、潮汐、地震的因素干擾，誤差較大。

“我們提出的在地月空間，借助對稱分布的拉格朗日平動點L4/L5的幾何構型，就可以在差分速度和距離觀測中，最大限度地抵消現有深空技術中存在的來自地球和鏈路上的干擾信息。”平勁鬆表示。

假設一個小天體同時受兩個互相繞轉的大天體的引力作用。當小天體運行到在空間中某一點時，它受力平衡且相對於兩大天體保持相對靜止，這個點就叫做兩個大天體空間的拉格朗日平動點。平勁鬆解釋道，在地月運行的軌道面，有2個三角平動點L4、L5，每一個平動點和地月連線能構成一個等邊三角形。引力波傳播一般是先到達其中一個平動點，再到達另一個點。“將探測器設置到這兩個點上時，同時測到的兩個探測器到月面或地面測站距離數據相減，能最大程度抵消共同路徑上發生或共同測量設備受到的干擾信息。”平勁鬆說，“我們可以在觀測中突出保留對稱分布的探測器之間的距離擾動信息，爭取分離出低頻引力波事件。”（記者 唐婷）