時空的結構中的漣漪,從巨大的宇宙事件中定期劃過宇宙,例如質量是太陽數百萬到數十億倍的超大質量黑洞的合併。這些所謂的引力波應該無處不在,但又極其微弱,至今還沒有實驗記錄到經過的引力波引起的擾動。雷射干涉儀空間天線(Laser Interferometer Space Antenna),簡稱LISA,原本計劃正是要做到這一點。這個空間天文臺,也被稱為LISA,本應是美國國家航空航天局(NASA)和歐洲空間局(ESA)之間的聯合任務,旨在探測引力波,為科學家們提供一個全新的視窗,以觀察宇宙並理解其基本原理。
下一代詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的成本超支顯然加速了這項雄心勃勃的聯合任務的終結——NASA和ESA在2011年3月解散了他們長達十年的LISA合作伙伴關係。然而,關於其死亡的報道可能被大大誇大了,因為研究人員仍在為發射而努力奮鬥。科學家們堅持認為,即使是縮減規模的專案,仍然很有可能取得革命性的發現。
按照最初的計劃,LISA將包括三個相同的航天器,在環繞太陽的軌道上尾隨地球。每個航天器都將用雷射瞄準另外兩個,形成一個邊長為五百萬公里的光三角形。在為期五年的任務中,雷射束將有助於探測到引力波透過時引起的航天器排列的細微擾動。
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自從NASA和ESA停止在LISA專案上合作後,該專案就淡出了人們的視野。“可以公平地說,很多人,甚至包括天文學家,都認為LISA專案已經被取消了,” NASA戈達德太空飛行中心的天體物理學家羅賓·斯特賓斯(Robin Stebbins)說,他正在領導該機構的引力波任務概念研究。
但實際上,每個機構都在各自調查單獨進行成本更低、精簡版任務的可能性。“夥伴關係可能已經結束,但概念、社群和熱情並沒有消亡,”馬里蘭大學帕克分校的天體物理學家泰森·利滕伯格(Tyson Littenberg)說。
此外,我們對星系和黑洞演化的理解的進步表明,這些後繼者可能只會比LISA觀測到的少一點。“在極短的時間內,LISA社群真正聚集在一起,對我們可能以更低的成本完成什麼進行了大量的研究,”普林斯頓大學的天體物理學家肖恩·麥克威廉姆斯(Sean McWilliams)說。“沒有人放棄。”
一種方案是縮小LISA的三角形,將每條邊縮短到只有一百萬公里長。較小的三角形意味著設定衛星到位所需的推進劑更少,從而節省資金。這樣的舉動將改變衛星可以探測到的引力波型別——較小的邊意味著僅對來自較小物體的較小波長敏感。
縮小的三角形仍然會對來自中等質量黑洞的引力波敏感——這些黑洞的質量是太陽的10,000到100,000倍——它們是幾乎每個大型星系中心看到的超大質量黑洞的基石。最近的天體物理學研究表明,大多數黑洞合併都涉及中等質量黑洞的合併。因此,根據麥克威廉姆斯1月9日在德克薩斯州奧斯汀舉行的美國天文學會會議上詳細介紹的發現,較小的三角形可以揭示關於星系和超大質量黑洞如何形成的奧秘。
對任務架構更大幅度的改變是將其中一條邊切掉,將編隊從三角形變為V形。這樣的任務仍然可以探測到引力波,但如果沒有第三條邊提供的額外資訊,天文臺在精確定位引力波源的位置和確定其屬性方面將大大遜色。少一條邊意味著更少的硬體,從而使衛星更小,這可以節省發射成本。
ESA可能會採取涉及更短邊長、少一條邊以及任務時長為兩年而非五年的策略。LISA夥伴關係的解散意味著該空間機構不能依賴NASA提供運載火箭,而且考慮到成本,ESA將不得不使用更小、能力更弱的衛星,以適應更小的俄羅斯聯盟號火箭。雖然歐洲主導的專案,被稱為演化版LISA(eLISA)或新的引力波天文臺(NGO),肯定不如完整的LISA專案強大,“但ESA迄今為止已經在LISA專案上投資了超過5億歐元,因此它不太可能退出,”斯特賓斯說。如果ESA繼續推進該任務,NASA可能會以次要合作伙伴的身份參與。
就NASA而言,如果ESA不繼續推進其自身的任務,NASA正在調查類LISA概念的太空引力波天文臺(SGO)的成本和能力。雖然最初的LISA專案將耗資約20億美元,但如果NASA單獨行動,總成本實際上將減少約4億美元,這既避免了與合作伙伴合作帶來的一些額外費用,也得益於使用像SpaceX這樣的新型商業太空發射公司,斯特賓斯說。
問題在於ESA本應為夥伴關係帶來資金,而16億美元對於資金緊張的NASA來說實在太多了。研究人員已經向NASA提出了許多工概念,這些概念具有更短或更少的臂,以及不同的軌道或壽命(可以在此處檢視),但價格標籤通常仍在10億美元到20億美元之間;斯特賓斯說,NASA目前對3億美元到6億美元的任務更感興趣。
ESA將在四月份對其引力波任務做出決定,如果決定推進,則可能在10年內發射。即使歐洲航天局今年決定不推進,也可能在下一次提出的任務競爭中這樣做,並有可能在2028年發射。雖然這樣的任務可能不如LISA強大,“但如果你問問研究這個專案的科學家,他們是否會繼續推進,或者根本不進行這樣的任務,答案肯定是要繼續推進,”斯特賓斯說。“我們已經有了400年的光學望遠鏡,但沒有引力輻射的經驗,引力輻射是宇宙在天文學方面的主要力場。這可能會徹底改變我們觀察宇宙的方式。”