欧航局打造太空探测器：引力波天文学将迎大繁荣

原标题：欧航局打造太空探测器：引力波天文学将迎大繁荣 来源：参考消息网

参考消息网7月21日报道 英国《卫报》网站6月27日发表题为《引力波的新浪潮》的文章，作者是菲利普·鲍尔。全文摘编如下：

引力波已经得到证实

人类在2015年通过激光干涉仪引力波观测台（Ligo）首次发现引力波。因为这个国际项目取得成功，三位主要支持者获得了2017年诺贝尔物理学奖。Ligo由美国华盛顿州和路易斯安那州的两台大型探测器组成。每台探测器包含两条4公里长、直角交叉的隧道。激光束沿隧道射向远端的一面镜子并反射回来。返回的光波在两条隧道交叉的地方互相干扰。当引力波经过时，它会非常微小地收缩或延长时空。每条隧道受到的影响会存在差异，而这种差异会改变光波的同步性，从而改变两条激光束的干扰结果。

Ligo并不孤单。通过与意大利的欧洲探测器“处女座”（Virgo）合作，人类在2015年圣诞节第二次探测到的引力波得到证实。日本于去年初开始探测工作，印度等国也计划开展探测活动。

迄今所见的大多数引力波显然是由两个黑洞碰撞造成的。这些黑洞是由质量比太阳大很多倍的恒星形成的。这些恒星耗尽了燃料，在自身引力作用下坍缩。爱因斯坦的广义相对论把引力描述为质量造成的时空扭曲。根据这一理论，恒星坍缩可以持续到只剩下极其稠密的“奇点”。由此产生的引力场非常强烈，以至于连光都无法从中逃脱。

如果两个黑洞被对方的引力捕获，那么它们可能会相互环绕并逐渐靠近，直至合并。广义相对论在一个多世纪前就预言，这种事件会向外发射引力波，在宇宙中激起涟漪。不过，在Ligo探测到引力波之前没有任何直接证据证明引力波的存在。其他极端天体物理学现象也可能产生引力波，比如中子星的合并：质量不及黑洞的恒星耗尽燃料，在停止坍缩的那一刻密度极高，一点点物质的质量就能相当于5000万头大象。

引力波还可以从大得多的物体中产生。在银河系以及其他许多星系的中心，有一个质量是太阳数百万倍的超大质量黑洞。这个黑洞由坍缩的恒星以及成团的宇宙气体和尘埃形成。盘旋着进入这些超大质量黑洞的物体会产生引力波。与Ligo和Virgo观测到的黑洞合并产生的引力波相比，这类引力波振动的频率较低、波长较长。

在太空中制造探测器

地面探测器无法发现这类引力波——这就像用捕虾笼去捉鲸。要发现这类引力波，干涉仪需要长得多的“手臂”。这是个难题，因为每条“手臂”必须是又长又直的中空通道，不能受到任何振动。因此，研究人员另辟蹊径，计划在太空中制造低频引力波探测器。这些计划中最先进的是目前正在为欧洲航天局打造的设备：激光干涉仪空间天线（Lisa）。

Lisa将从一台探测器发射激光束，使之从另一台探测器内自由飘浮的镜子上反射回来。利用三台探测器就可以制造出像Ligo一样的L形双臂结构。但“手臂”不一定要呈直角：Lisa将使三台探测器相互距离几百万英里（1英里约合1.6公里），形成一个三角形。整个阵列将沿地球轨道运行，跟随在地球身后，相距约3000万英里。

为了测试在太空中使用激光干涉技术的可行性，2015年欧洲航天局启动了一项名为“莉萨探路者”探测器的试验项目。这台探测器在微尺度上展示了这一技术。这项试验项目的管理科学家保罗·麦克纳马拉说，这项于2017年完成的任务“让我们大为惊叹。它从一开始就达到了我们的要求，不用微调，什么都不用”。这个项目展示了在探测器中飘浮的镜子非常稳定，晃动幅度不超过一个原子大小的千分之一。为保持稳定，探测器使用微型推进器抵消太阳光产生的外力。

这种稳定程度是可以接受的，因为Lisa需要探测到“手臂”（长为100万英里）受引力波影响产生的原子宽度十分之一的长度变化。

不过，至少要等到10年之后才能发射Lisa。麦克纳马拉说：“我们需要建造三个卫星，每个都有很多零件。这需要时间——非常复杂的任务往往有很多不幸的事实，这就是其中之一。”下一个里程碑是正式的“任务采用”，预计在2024年。约翰斯·霍普金斯大学天体物理学家埃马努埃莱·贝尔蒂说：“届时我们将知道细节，包括任务是什么，欧洲航天局成员国以及美国各自贡献什么，花费是多少。”

日本等国也进入基于太空的引力波探测器的早期规划阶段。麦克纳马拉认为这不是竞争，而是好事——因为有多个探测器时，有可能用三角测量来确定引力波的来源。

有望彻底改变天文学

贝尔蒂说：“超越可见光（到无线电波、X光的层面）彻底改变了普通天文学。与之类似，Lisa将彻底改变引力波天文学。Lisa将观察不同等级的引力波来源。”他说，通过研究超大质量黑洞合并，“我们希望充分理解宇宙结构的形成，以及理解引力本身”。如果Lisa确实看到了大爆炸初期暴胀形成的“原始”引力波，那就能检测万物如何开始的理论。

或许还有一种观测低频引力波的方式，而这种方式完全不需要有目的地建造探测器。一个名为北美纳赫兹引力波天文台（NanoGrav）的合作项目正在利用一个全球无线电望远镜网络的观测结果，寻找引力波对“宇宙时钟”脉冲星的计时产生的影响。

脉冲星是高速旋转的中子星，从旋转轴向外发射高能无线电波束，像灯塔光线一样扫射太空。脉冲星信号的规律性和可预测性非常高。NanoGrav团队成员、美国范德比尔特大学的斯蒂芬·泰勒说，“如果引力波在脉冲星和地球中间穿过，它就会扭曲两者之间的时空”，导致脉冲比预计时间更早或更晚抵达。

实际上，脉冲星自己也就成了“探测器”。正如NanoGrav团队成员、美国科罗拉多大学博尔德分校的朱莉·科默福德所说，这种“探测器”的“手臂”可以有地球和脉冲星之间的距离那么长，可能有数千光年。因为尺寸很大，NanoGrav能够探测到波长极长、频率极低的信号，甚至超出了Lisa的可探测范围。这类信号是由质量为太阳数十亿倍的超大质量黑洞形成的，而这些黑洞是在整个星系相撞时合并而成。泰勒说，其他探测器都无法感知到。

尽管这类合并造成的巨大影响超乎想象，但事实上它们相当常见，NanoGrav能够看到由此产生的“热闹”景象。科默福德说：“宇宙中经常出现这种成双成对的超大质量黑洞，它们相互环绕并产生引力波。这些涟漪产生的大量引力波都可供我们探测。”

今年1月，由科默福德的博士后研究员约瑟夫·西蒙领导的一支NanoGrav团队报告称，他们有可能首次探测到这种引力波背景。尽管还需要做更多工作才能证实这一信号确实由引力波造成，但科默福德称，这一结果是“我过去几年见到的最令人兴奋的天体物理学研究成果”。

打开通向宇宙新窗口

伦敦大学学院物理学家苏加托·博斯认为，事实上，如果NanoGrav能使用光年尺度的引力波探测器，那么我们也能制作出一个小到可以塞进橱柜的引力波探测器。他的想法依赖于量子理论最奇特的一种效果。量子理论通常描述像原子这样非常小的物体。量子物体可以处于叠加态中，这意味着它们在被测量之前没有确定的属性：不只有一种可能的结果。

量子科学家能够经常把原子置于量子叠加态——但这种特性在足球这样较大的物体上会消失。较大的物体要么在这里，要么在那里，无论我们是否查看它们。就我们所知，并不是较大物体不可能处于叠加态，而是叠加态维持的时间不可能长到被人们探测到，因为叠加态非常容易被物体周围环境的任何相互作用给破坏掉。

博斯及其同事指出，如果我们能为大小介于原子和足球之间的物体（直径约为100纳米的微小晶体，差不多有大病毒颗粒那么大）创造出叠加态，那么这种叠加态将非常不稳定，也对引力波十分敏感。事实上，人们可以让量子叠加态的两种可能状态相互干扰，就像两束光波一样，而引力波产生的时空扭曲将体现为干扰结果的变化。

博斯认为，在比外太空更加真空的环境中，冷却到接近绝对零度的金刚石纳米晶有望在叠加态保持得足够久，从而完成这个看似不可能的任务。他说，做到这一点并不容易，但所有技术挑战都分别得到过展示——问题是如何把它们整合起来。他说：“我认为未来10年左右做到这一点不存在任何障碍，只要有足够的资金。”

如果这些项目和其他进展带来引力波天文学的大繁荣，那么我们将看到什么？麦克纳马拉说：“当你打开通向宇宙的一扇新窗口时，你通常会看到意想不到的东西。”除了看到更多已知能产生引力波的各类事件以外，我们还可能得到无法轻易解释的信号。他说：“那才是有趣的地方。”