LISA探路者,空间引力波探测的里程碑

□ 阿尔伯特•爱因斯坦研究所 胡一鸣



LISA探路者,空间引力波探测的里程碑

□ 阿尔伯特•爱因斯坦研究所 胡一鸣

图片来源网络

引力波

1905年，被后人称为物理学奇迹年，联合国教科文组织还把一个世纪以后的2005年定为国际物理年，以此纪念100年前那个用三篇论文改变世界的26岁小伙——阿尔伯特•爱因斯坦。这一年，他分别发表了三篇论文：建立了狭义相对论，解释了布朗运动，提出了光量子假说。

然而，十年之后，又是一个具有划时代意义的奇迹年。在经历长达10年的冥想苦思之后，爱因斯坦终于确定了描述引力的场方程。1915年11月25日，他正式提交了描述广义相对论公式的论文，向世人正式揭晓了那一石破天惊的结论：引力，不过就是时空的弯曲。

整整一个世纪之后，此时此刻，我们又迎来了一个激动人心的时代。2015年9月18日，脱胎换骨后的地面引力波探测器aLIGO（Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，高新激光干涉仪引力波天文台）正式开始工作；2015年12月3日，LISA探路者将正式发射升天。我们，屏息凝神，聆听宇宙。

这一刻，大概爱因斯坦做梦也没有想到过。推导出广义相对论之后，他很快就意识到，如同电磁波一样，引力也是以波动的形式传播，且其速度就是光速。他随后在论文中做出断言，引力波太过微弱，想要探测难于上青天。

很多科学家穷尽一生想证明爱因斯坦错了，然而成功的人并不多，探测引力波的人算是其中一员。爱因斯坦这回真的“错”了：引力波确实很弱，但并非无法探测。利用激光干涉的方法，加上一系列高精尖的突破性技术，我们可以探测到非常微小的时空扰动。如果把我们的探测器延长，一头在地球，一头在太阳，探测器长度发生哪怕只有一个原子尺度的变化，位于美国的aLIGO都可以把它探测出来。

然而，地球表面的探测器也有自己的苦楚。正是因为它实在太灵敏了，稍有风吹草动它都会受到影响。一千米高处飘过的白云，几千米外卡车驶过高速公路，几十千米外的工人在伐木，几百千米外海浪拍着沙滩，都会在aLIGO探测器上留下踪迹。由于这些噪声的存在，在地面上我们只能关注高频的引力波（100~1000Hz），低频的信号只能放弃了。要探测频率低很多的引力波信号，就必须远离地球，向太空进发。

LISA

空间探测引力波的项目并不像地面项目这么幸运。空间项目一向以其高风险著称，一旦发生故障，基本上仪器就彻底报废，除非花大钱更换零件（比如尽人皆知的哈勃望远镜）或者更换科学目标（比如搜寻太阳系外行星的开普勒望远镜）。

太空激光干涉仪LISA，首次被提出是在20世纪六七十年代，但是直到今天，距离发射依然遥遥无期。在最初的设计中，3个探测器两两之间形成相距500万千米的干涉臂，相当于从地球到月亮距离的13倍，一共可以构成3个干涉仪。正是因为如此遥远的距离，所以这些卫星一旦发生故障，要维修是根本不可能的。

其实，LISA的预计发射期，一直以来都是“大概10年之内”。起初是研发过程一波三折，技术难题接踵而至，导致发射期一拖再拖；然而当技术日趋成熟之际，技术的可靠性又受到了质疑，而使得后续经费无法得到保障。于是LISA团队提出了一个折中的方案：先发射一个探路器，测试LISA所用到的高精度空间测距技术，这要比发射3颗卫星便宜得多，可行性也高得多。如果一切运行稳定正常，到时候再拨钱给

LISA探路者

LISA探路者需要做的，就是把整个100万千米的LISA基线浓缩到一个人造卫星之内，让两个相距38厘米的无拖曳金铂立方体处于失重状态，并屏蔽外界的各种因素对两个立方体的干扰，使用微推进器极为精密地修正卫星的位置使得太阳风等因素不至于使立方体的轨道碰撞到卫星的内壁，之后再用激光干涉技术测量它们的测地线偏差。

简单来说，就是自由落体。

这个实验，需要保证两个金铂立方体处于自由落体状态，并用激光干涉测量期间距离的微小变化。所以，它需要飞行到地球引力与太阳引力互相平衡的拉格朗日点，让间隔38厘米的两个被测立方体处于自由下落（失重）的状态。探测器所有的功能，就是保证置于其中的两个立方体自由下落，不受外界干扰。

自由落体并不难，真正困难的是要达到那令人叹为观止的测量精度：1皮米，即 10-12米（原子半径都比这个量级大100倍）。连探测器里不同零件的布局都要用精确的计算机建模来反复修改配重，从而平衡两个金铂立方体所受到的探测器本身的引力。

另外，两个金铂立方体需要控制在一个很狭小的范围内。在一定范围内让两个立方体自由飘动，飘得太过分了就纠正一下，再继续飘动。这里的纠正需要用非常微小而又非常精确的控制器，而所有这一切都得装在一个很小的探测器里。螺蛳壳里做道场也不过如此。

所谓的自由落体，就是要保证立方体只能受到引力作用，所以金铂立方体不能晒太阳：一旦阳光直射，太阳光的光压会推动它偏离自由落体的状态。另外，火箭发射时卫星会经历很强的加速度和颠簸，如此精密的仪器要是在发射时被颠坏了，可就不好玩了。LISA——这就是 LISA探路者的由来。

LISA探路者要保证它内部的两个金铂立方体处于自由落体状态，并用激光干涉测量期间距离的微小变化，以验证未来 eLISA将要用到的技术是否切实可行。图片来源：ESA

可惜，金融危机的到来使得NASA（美国航天局）大幅度削减经费，大批天文项目纷纷被砍，LISA也不例外。幸好，这个项目从一开始就不是靠着NASA一个“人”在战斗，美国人退出了，ESA（欧洲空间局）就此接手。然而ESA也是青黄不接之时，LISA只能做出让步，把探测器间距缩短到100万千米，干涉臂也减到了2条，只能组成一个干涉仪，甚至连名字都改成了 eLISA。这一切的努力都没有什么回报，ESA在慎重比较之后，还是选择放弃了eLISA项目。虽然eLISA依然有希望在2030年之后得到经费发射上天，但那已经是很遥远的事情了，为eLISA开发出技术的科研团队都将面临退休和改行的问题，重新开发意味着之前努力的极大浪费。科研受经济环境的影响不禁让人唏嘘。

LISA原计划利用相互间隔500万千米的3个探测器，构成3个空间激光干涉仪，用来探测引力波信号。图片来源：NASA

不知道该说是幸运，还是不幸，LISA探路者的发射已经板上钉钉了，所以照旧发射不误。原先热情满满搞LISA的人，只能寄希望于这个探路者表现出色了。毕竟，20年后能不能拿到经费给LISA续命，就在此一搏了。

天琴，中国的空间引力波探测之路

引力波，是一扇全新的窗口。引力波的频率远低于电磁波，就像人耳听到的声波频率远低于可见光的频率；地面引力波的定位，很大程度上依赖于信号到达不同探测器的时间差，这一点又和人耳定位的原理不谋而合，如果说传统的望远镜让天文学家开眼看世界，那么引力波就将打开天文学家一直闭塞的耳朵。

随着aLIGO的启动和LISA探路者的成功上天，全世界的目光都聚集在这一物理学最后的宝藏上，中国的科学家们自然也不例外。

就在最近，描述我国自主设计的空间引力波探测计划——天琴计划——正式发表在引力科研期刊《经典与量子引力》上。这个由我国著名引力专家罗俊院士带头的计划极具雄心，且目标明确：做出全世界第一个空间引力波的探测。许多已有的空间引力波探测项目都想一口气吃成胖子，想把许多信号都一网打尽。我国的技术发展起步相对较晚，要想竞争，必须走一条不一样的道路。天琴计划的目标源十分明确——RX J0806.3+1527这一对银河系内的白矮星双星，它们有着极短的公转周期（321.5秒），以及相对较近的距离（5000角秒以内）。如果仪器运行一切正常，仅仅需要三个月，我们就可以实现第一次太空引力波探测器的成功探测！

在这个计划中，三颗卫星所构成的等边三角形将围绕地球转动，这大大降低了涉及轨道和发射的难度；而同时，距离测量的精度则达到了1皮米。相距10万千米的卫星测距精度所达到的1皮米，和LISA探路者实现的相隔38厘米测量精确至1皮米的精度相比，又是困难了不少。一叶知秋，由这一细节就可想见这个项目的雄心。

广义相对论百年华诞之际，引力波的喜讯接踵而至，让人喜不自禁；更让我们中国人自豪的是，在这发掘物理学最后宝藏的队伍中，活跃着我们中国科学家的身影，在空间引力波探测的最前沿为空间引力波的第一曲奏鸣而奋斗。

让我们洗耳恭听，静待宇宙的美妙华章。