歐洲航天局 (ESA) 已為首個從太空測量引力波的實驗開了綠燈。
雷射干涉空間天線 (LISA) 將利用雷射束在太陽系 250 萬公里範圍內傳播的精確計時，以尋找由超大質量黑洞合併等事件引起的巨大時空漣漪。
歐空局於 1 月 25 日宣佈，這項耗資數十億歐元的任務將於 2025 年開始建造，計劃於 2035 年發射。“這非常令人興奮，”德國加興馬克斯·普朗克天體物理研究所的天體物理學家、LISA 聯盟成員瓦萊裡婭·科羅爾說。“它將為只有 LISA 才能看到的引力波源開啟一扇窗。”
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LISA 的規模意味著它將能夠觀測到比地球上可探測到的頻率低得多的引力波。這將使該任務能夠發現一些現象，例如相互繞轉的黑洞，這些黑洞比地面雷射干涉引力波天文臺 (LIGO) 觀測到的黑洞質量更大、距離更遠，LIGO 於 2015 年首次探測到引力波。
這項任務醞釀已久。“我第一次為 LISA 撰寫提案是在 31 年前，”德國漢諾威馬克斯·普朗克引力物理研究所的天體物理學家、LISA 聯盟負責人卡斯滕·丹茲曼說。該實驗涉及測量雷射在兩個相距數百萬公里的質量之間傳播的距離，精度達到萬億分之一米，同時 除了時空本身外，沒有任何東西會影響質量的運動。“人們認為這很荒謬。我說，‘等著瞧吧。’”
黃金三角
LISA 將由三艘相同的航天器組成，每艘都裝載著一個 4.6 釐米的漂浮金鉑立方體，以等邊三角形陣型繞太陽軌道飛行。它將使用雷射精確測量每艘航天器中立方體之間的距離，精確到能夠分辨出何時引力波（由加速運動的大質量物體引起的微小時空波動）在它們之間拉伸時空，尺度為皮米。（一皮米為 10−12 米。）訊號中的其他細微變化將使 LISA 能夠精確定位引力波的來源。“這幾乎是一種科幻小說式的儀器，”科羅爾說。
丹茲曼說，雖然在這種距離上進行如此精確的測量具有挑戰性，但在許多方面，在太空中比在地球上更容易做到。“在太空中沒有晃動，沒有大氣，沒有振動，你只是在真空中飛行。”他說，困難的部分是使這項技術足夠可靠以應對所有意外情況。“你不能只是派一個博士後去那裡修理它。”
LISA 將對波長在 30 萬公里到 30 億公里之間的引力波敏感。這比 LIGO 在地球上探測到的波長更長，比脈衝星計時陣列（使用“信標”星觀測星系範圍引力波的研究）看到的波長更短。
互補測量
丹茲曼說，所有這些實驗都將觀察不同的現象併產生互補的資料，就像射電望遠鏡和可見光儀器所做的那樣。LISA 龐大的規模將使其能夠探測到超大質量黑洞合併時產生的引力波，以及比 LIGO 可以看到的更早碰撞階段的系統的訊號。LISA 還應該能夠捕捉到全新的現象，例如碰撞的白矮星的螺旋運動（白矮星比黑洞更大），以及兩個合併的黑洞質量差異巨大的系統。
科羅爾說，宇宙學家希望這項實驗還能探測到早期宇宙中產生的引力波背景噪聲（理論已預測到），甚至可能探測到來自最早黑洞的訊號。由於 LISA 還能測量其探測到的源的距離，科學家們希望其資料將有助於測量宇宙膨脹速度的變化。
中國也計劃在 2030 年代發射一個太空引力波探測器。中國科學院大學北京物理學家、正在探索的兩個擬議任務之一“太極計劃”的首席科學家武嶽良表示，LISA 的發展為這樣的任務提供了更有力的理由。“太極”和 LISA 團隊希望這些任務能夠重疊，以便它們可以在“太空引力波探測器網路”中相互補充，武嶽良說。
他補充說，歐空局為 LISA 開綠燈是“科學界的重大里程碑”。
本文經許可轉載，並於 2024 年 1 月 26 日首次發表。