LISA探路者號實驗遠超預期

LISA探路者號 圖片來源：Manuel Pedoussaut, 2015/ESA

歐洲重力波獵人正在大肆慶祝。7月1日，一顆衛星完成了其技術測試任務，以探索在靜止的空太中測量引力波。去年，該衛星的「表現」已經超出預期。而此次成功讓歐洲空間局（ESA）批准給予全面感知宇宙重大事件的項目優先權，這些事件難以在地球上被發現。

這個名為「LISA探路者號」的探測器發射於2015年年底，全名為激光干涉空間天線，是由ESA斥資10億歐元設計的空間觀測平台任務。其接下來的任務是跟蹤宇宙中最大的天體——包括巨大黑洞的合并以及星系的碰撞——發生時產生的時空漣漪。

該項目科學家、ESA天體物理學家Paul McNamara表示，它以1000係數的精度確定了目標，平息了那些對其潛力表示懷疑批評聲。「人們曾認為這是無法完成的任務。」McNamara說。

當前的LISA計劃於2034年發射，將是激光干涉重力波觀測台（LIGO）的空間類似物。目前的美國LIGO由兩條分別長達四公里並且互相垂直的干涉臂構成，首次檢測到兩個黑洞合并發出的引力波。而LISA探路者號由3個置於邊長為數百萬千米的三角形的三個頂點上的探測器組成，以便使其對更長的引力波較為敏感，例如由更大的黑洞碰撞產生的波紋。

最終的空間觀測站將試圖通過這3個LISA探測器在自由落體運動中漂移時對激光的反彈，發現空間的拉伸和壓縮現象。因為這些物體將受到其他所有外部力量的保護，按理論只有引力波能擾亂它們自由落體的同步性——這一干擾將會影響激光頻率。

LISA探路者號的目標是展示這樣的變化能在失重狀態下被測量，精度可達1皮米。高精度推進器將調整LISA探路者號的路線，以便探測器內部的兩個實驗立方體能自由下落，而不受外部軌道運行的干擾。

這兩個物體均為質量2公斤、用金和鉑打造而成的立方體。當它們圍繞拉格朗日點1（L-1）運行並進入微重力環境時，探路者號將打開這些微型推進器。而這些推進器的推力十分微弱，需要1000個這樣的推進器才能推得動地面上的一張紙。它們將確保探測器在其上空盤旋，同時不讓兩個立方體接觸到它的邊緣。而它們在相對運動中出現的任何偏差都可以極其精準地被測量到。

英國倫敦帝國學院天體物理學家、帶領團隊設計並建造該探測器保護機制的Tim Sumner指出，作為宇宙空間中的高精度實驗室，LISA探路者號和ESA此前的任何一項任務都不同。

2016年2月——LIGO宣布了首個探測結果2周後，LISA探路者號也宣布取得了一個勝利。它雖然沒有發現重力波，卻表示能探測到為1皮米1/100的微小運動。自那以來，探測器的性能被提升到另一個量級。

到今年6月初，LISA探路者號幾乎用完了所有推進器燃料，而地面指揮中心使用剩餘染料將其推離現有軌道，並進入最終的太陽軌道。7月1日，LISA探路者號停止收集數據，7月18日，它將永久休眠。

美國宇航局噴氣推進實驗室物理學家William Klipstein 表示，LISA探路者號取得了「勝利」。他參與了LISA研發，但未涉足ESA的探路者號任務。他提到，它的性能「消除了最後一個主要技術障礙，推動了ESA進行長期重力波項目」。

6月20日，ESA科學項目委員會一致同意將LISA列為第三大科技項目。德國馬普學會引力物理學研究所所長Karsten Danzmann表示，人們已經等待這一決定很長時間了，不過，LISA探路者號的成功和LIGO發現重力波讓該決定幾乎不存在疑問。

雖然該決議並非最終版本，但它意味著產業合作者目前將參與到詳細方案設計和成本核算中。一旦這些工作完成，ESA將決定是否「採納」該任務，並為其劃撥經費。該項目組也希望美國能提供重要部件。美國曾是LISA任務的平等合作方，但2011年為減少開支，美國縮減了其參與度。

在進行LISA任務前，ESA已經選擇了其他兩個大型項目：計劃2022年發射的木星衛星探測器和2028年發射的X射線天文台。而LISA計劃2034年升空。但LISA探路者號首席科學家、義大利特蘭託大學物理學家Stefano Vitale等人則希望其發射時間能提前。

LISA項目在2000年被ESA批准，然後開始徵集計劃書，Vitale團隊的設計脫穎而出，最終被該機構採納，而最初計劃在2006年發射，但時間一再推遲。「我認為以前完全低估了其中的難度。」Vitale說，「但這也是我們建造LISA探路者的原因。」

而Vitale等人希望提前發射LISA的原因之一是，這樣一來它能在目前主要科學家退休之前開始返回數據。（張章編譯）

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