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圣淘沙游戏优惠办理大厅:没有“嫦娥”“天问”高调,“太极”引力波探测计划正在闷声干大事……

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 Winnie Lee ? 2020-09-25 08:00:36 来源:前瞻网 E1324G0

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近日,中科院工程院院士、太空引力波探测“太极计划”首席科学家吴岳良郑重宣布,我国“太极二号”双星计划正式启动。

比起广为人知的“神舟”载人飞船项目、“嫦娥”探月项目、“天宫”空间站项目、“天问”火星探测项目等,“太极二号”双星计划显得十分低调。这或许是因为,“太极二号”项目的目标并不在于立竿见影的航天科技发展,而是更为深远的宇宙科学探索:寻找太空中神秘的引力波。

引力波:神秘的“时空涟漪”

从形象的角度讲,引力波是“时空的涟漪”。在宇宙中,平直的时空就像一张网,但大质量天体会对周围的时空结构造成影响,就像重物放在网上,使网弯曲一样。

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(图源:维基百科)

而大质量天体之间的合并过程会对周围的时空造成极大的扰动,这种扰动会以波动的形式向外传播能量,较远的平直时空结构也会受到影响,产生“涟漪”。因此,引力波就诞生了。

早在1916年,爱因斯坦就基于广义相对论预言了引力波的存在,但直到2015年,人类才首次探测到了引力波信号:它经过13亿年的漫长旅行抵达地球,被引力波探测器LIGO的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。

这一发现给科学界带来了一场“地震”:LIGO执行主任戴维·赖茨将之比作是科学上的“登月”大成功事件,英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金表示这很有可能引发天文学革命;2017年,诺贝尔物理学奖授予了做出这一决定性贡献的3位美国物理学家,同年,“引力波”一词还与“人类命运共同体”、“阿尔法狗”等热门字词一同入围“汉语盘点2017”活动年度候选字词。

为何引力波的发现引起了这么大的震动?因为引力波给人类提供了一种看待宇宙的全新方式。

如果说,以往的天文探测所依靠的射电、光学、红外、X射线等手段都是从光学角度“看”宇宙,那么引力波就是从“听”这一完全不同的角度来探索宇宙。

引力波的发现,就如同让以往“失聪”的人类拥有了一双聆听宇宙的耳朵。这其中的难度也不难想象:连最先预言它存在的爱因斯坦,都曾认为引力波太过微弱,探测它很可能是件“不可能完成的任务”。

但激光干涉仪的出现,让“不可能”成为了“现实”。

如何探测引力波?

要讨论激光干涉仪的原理,就要先提到19世纪时流行的一种理论:以太不动论。

当时,人们认为存在一个绝对静止的参考系,并把它命名为以太。所有相对以太运动的物体都不是绝对静止的,比如地球就像一艘轮船在“以太之海”中航行。

在这个理论上,人们想得知地球相对以太运动的速度,亦即“绝对速度”,因此诞生了著名的迈克尔逊莫雷实验。

这个实验利用了光线沿直线行进的特性,简单来说,他们将一束光分成强度相等的两部分,分别朝着两个互相垂直的方向行进,再通过反光镜反射回来,经过分光镜到达观测屏。

如果实验仪器绝对静止,那么到达观测屏上时两束光的光程应该完全相等;但如果实验仪器不是绝对静止,那么两束光的光程不等,因此观测屏上会发生光的干涉,产生干涉条纹。

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激光干涉仪的设计大致与这个实验思路类似。以传统迈克尔逊干涉仪为例,其基本原理是把激光分光,然后让这两束光做相干干涉,得到干涉条纹。这种干涉条纹的位置和间距对激光传播距离非常敏感,如果有引力波经过,这种极为微弱的距离变化可以在多次反射的激光干涉后捕捉出来。

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(迈克尔逊干涉仪光路图)

从地面的引力波观测站到太空中的引力波探测天线,都仍然使用这种激光干涉法来探测引力波。

目前,知名的引力波地面观测站有美国激光干涉引力波天文台(LIGO)、欧洲“处女座”(Virgo)引力波探测器和日本神冈引力波探测器(KAGRA)。

以美国激光干涉引力波天文台(LIGO)为例,其的基础设计就相当于一个巨大的迈克尔逊激光干涉仪,做了少许改动。它拥有巨大的L形测量臂(实际上是高度真空的长管),每臂各有4公里长,两端设有反射镜面。

其设计思路是调整激光传输距离,使被分光的两束反射光和透射光在探测器中产生相消干涉,因此没有引力波经过的时候,探测器不会显示出干涉条纹。

而由于引力波本质上是空间的形变的传播,因此,如果引力波传到地球,我们会在一个方向上被拉伸,另一个方向上被挤压。

因此,当引力波经过的时候,LIGO两条长臂的距离一条增大,另一条减小,干涉条纹就会出现。

为何LIGO要设计得如此巨大?这是因为引力波十分微弱,并且引力波的源头距离地球大多极其遥远。

以LIGO发现的被命名为GW150914的引力波信号为例,它产生于13亿光年外的两个黑洞的合并事件,尽管两个黑洞的质量分别有36个太阳质量和29个太阳质量之巨,但当被LIGO探测到时,也仅仅将LIGO的4公里臂长改变了一个质子直径的万分之一。

但LIGO还需要解决另一个问题:噪音。

要达到能够探测引力波的精度,LOGO的探测器必须非常灵敏:它们可以“感觉到”地球上从非常近的光源到数百或数千英里之外的光源的最微小的振动。这就导致附近的卡车、人类的活动甚至内部的激光波动都会造成噪音,掩盖微弱的引力波信号。

因此,LIGO被设计为由两个完全相同但相距遥远的干涉仪组成:一个位于华盛顿州东南部干旱的灌木草原地区,另一个则位于路易斯安那州的一片森林里。

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(LIGO两个干涉仪的大致位置。图源:Caltech/MIT/LIGO Lab)

这两个干涉仪所感受到的噪音振动并不相同,但引力波的振动是相同的。因此,通过比较两个地点的数据,科学家可以把其中一个当作噪音过滤器,只寻找两个地点同时发生的相同信号。

即使有了这样复杂而精心的设计,LIGO也有不少局限:它只能“听”到持续数毫秒的引力波,能探测到的引力波源也十分有限。

“上天”成为了进一步的解决方案。只要把探测器“搬”到太空,不就能得到更精确的探测结果、捕捉到更多更微弱的引力波了吗?

欧洲空间引力波计划LISA就是这样一个“狂野”的设想。在LISA的设计中,三颗卫星组成边长250万公里的等边三角形星座,引力波经过使得三边出现小于原子直径的变化,能利用激光干涉仪探测到。

LISA的原理与LIGO基本相同,只是探测臂放大了60万倍。该项目最早始于1990年代,但由于经费耗费甚巨,技术难度也很大,该项目几经波折:

1990年代,NASA与欧洲空间局开始合作发展LISA项目;

2011年,由于NASA的退出和欧洲经费的缩减,LISA原定的3颗卫星6路激光干涉被削减为3颗卫星2路激光干涉,项目也改名为eLISA项目;

2017年,LISA入选欧空局“宇宙观十年计划(2015-2025)”中最高的L级任务,经费上限10.5亿欧元,同时NASA宣布回归空间引力波探测,eLISA又重新回到了LISA项目;

2018年1月,欧洲空间局宣布空间天线激光干涉仪(LISA)完美通过了任务定义审核……

目前,LISA暂定于2034年发射主要的三颗探测卫星,与中国提出的“太极计划”、“天琴计划”预计发射的时间接近。

中国在太空中的引力波探测项目可谓“兵分两路”,主要有“太极”、“天琴”两个方案。两者合作,能够覆盖不同探测波段。

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(“太极”、“天琴”计划一览表)

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(“太极”、“天琴”与LISA项目在太空中的不同位置)

对于引力波观测这一可能带来许多重要科学发现的研究,世界各国都正在纷纷布局。

在海外,除了LISA之外,美国还推出了BBO计划,也叫“后爱因斯坦”计划,该计划有一颗“大爆炸观测者”卫星,着重探测地面装置和LISA计划之间的“中频引力波”。

日本也有DECIGO计划,该计划由3颗无阻力卫星构成,各相距1000公里,计划在2024年发射。

而在地面观测站方面,由中国中科院高能所牵头,与美国BICEP团队合作的原初引力波探测项目正在海波5100米的西藏阿里建设,一期望远镜将于2020年开始观测。

西藏项目旨在探测在宇宙大爆炸发生后的极短一瞬间,宇宙快速膨胀过程中产生的“原初引力波”。由于这种引力波过于微弱,因此选址在大气稀薄、水汽含量少的西藏高原。

欧洲则在拟议建设爱因斯坦望远镜(ET),臂长约10公里,旨在发现更多黑洞和中子星并和事件。

美国西北大学的研究人员还提出了另一种“反其道而行之”的奇思妙想:他们希望建造一种仅有桌面大小、臂长仅为1米的悬浮探测器,用激光使真空腔中的玻璃珠悬在半空中,达到极高的灵敏度。

目前,对于引力波这种神秘的“时空涟漪”,人类只能说是初窥其踪迹;要深入了解它的秘密,科学家们还有很长的路要走。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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