歐航局打造太空探測器:引力波天文學將迎大繁榮

2021年07月21日19:02

原標題:歐航局打造太空探測器:引力波天文學將迎大繁榮 來源:參考消息網

參考消息網7月21日報導 英國《衛報》網站6月27日發表題為《引力波的新浪潮》的文章,作者是菲利普·鮑爾。全文摘編如下:

引力波已經得到證實

人類在2015年通過激光干涉儀引力波觀測台(Ligo)首次發現引力波。因為這個國際項目取得成功,三位主要支援者獲得了2017年諾貝爾物理學獎。Ligo由美國華盛頓州和路易斯安那州的兩台大型探測器組成。每台探測器包含兩條4公里長、直角交叉的隧道。激光束沿隧道射向遠端的一面鏡子並反射回來。返回的光波在兩條隧道交叉的地方互相干擾。當引力波經過時,它會非常微小地收縮或延長時空。每條隧道受到的影響會存在差異,而這種差異會改變光波的同步性,從而改變兩條激光束的干擾結果。

Ligo並不孤單。通過與意大利的歐洲探測器“處女座”(Virgo)合作,人類在2015年聖誕節第二次探測到的引力波得到證實。日本於去年初開始探測工作,印度等國也計劃開展探測活動。

迄今所見的大多數引力波顯然是由兩個黑洞碰撞造成的。這些黑洞是由質量比太陽大很多倍的恒星形成的。這些恒星耗盡了燃料,在自身引力作用下坍縮。愛因斯坦的廣義相對論把引力描述為質量造成的時空扭曲。根據這一理論,恒星坍縮可以持續到只剩下極其稠密的“奇點”。由此產生的引力場非常強烈,以至於連光都無法從中逃脫。

如果兩個黑洞被對方的引力捕獲,那麼它們可能會相互環繞並逐漸靠近,直至合併。廣義相對論在一個多世紀前就預言,這種事件會向外發射引力波,在宇宙中激起漣漪。不過,在Ligo探測到引力波之前沒有任何直接證據證明引力波的存在。其他極端天體物理學現象也可能產生引力波,比如中子星的合併:質量不及黑洞的恒星耗盡燃料,在停止坍縮的那一刻密度極高,一點點物質的質量就能相當於5000萬頭大象。

引力波還可以從大得多的物體中產生。在銀河系以及其他許多星系的中心,有一個質量是太陽數百萬倍的超大質量黑洞。這個黑洞由坍縮的恒星以及成團的宇宙氣體和塵埃形成。盤旋著進入這些超大質量黑洞的物體會產生引力波。與Ligo和Virgo觀測到的黑洞合併產生的引力波相比,這類引力波振動的頻率較低、波長較長。

在太空中製造探測器

地面探測器無法發現這類引力波——這就像用捕蝦籠去捉鯨。要發現這類引力波,干涉儀需要長得多的“手臂”。這是個難題,因為每條“手臂”必須是又長又直的中空通道,不能受到任何振動。因此,研究人員另闢蹊徑,計劃在太空中製造低頻引力波探測器。這些計劃中最先進的是目前正在為歐洲航天局打造的設備:激光干涉儀空間天線(Lisa)。

Lisa將從一台探測器發射激光束,使之從另一台探測器內自由飄浮的鏡子上反射回來。利用三台探測器就可以製造出像Ligo一樣的L形雙臂結構。但“手臂”不一定要呈直角:Lisa將使三台探測器相互距離幾百萬英里(1英里約合1.6公里),形成一個三角形。整個陣列將沿地球軌道運行,跟隨在地球身後,相距約3000萬英里。

為了測試在太空中使用激光干涉技術的可行性,2015年歐洲航天局啟動了一項名為“莉薩探路者”探測器的試驗項目。這台探測器在微尺度上展示了這一技術。這項試驗項目的管理科學家保羅·麥克納馬拉說,這項於2017年完成的任務“讓我們大為驚歎。它從一開始就達到了我們的要求,不用微調,什麼都不用”。這個項目展示了在探測器中飄浮的鏡子非常穩定,晃動幅度不超過一個原子大小的千分之一。為保持穩定,探測器使用微型推進器抵消太陽光產生的外力。

這種穩定程度是可以接受的,因為Lisa需要探測到“手臂”(長為100萬英里)受引力波影響產生的原子寬度十分之一的長度變化。

不過,至少要等到10年之後才能發射Lisa。麥克納馬拉說:“我們需要建造三個衛星,每個都有很多零件。這需要時間——非常複雜的任務往往有很多不幸的事實,這就是其中之一。”下一個裡程碑是正式的“任務採用”,預計在2024年。約翰斯·霍普金斯大學天體物理學家埃馬努埃萊·貝爾蒂說:“屆時我們將知道細節,包括任務是什麼,歐洲航天局成員國以及美國各自貢獻什麼,花費是多少。”

日本等國也進入基於太空的引力波探測器的早期規劃階段。麥克納馬拉認為這不是競爭,而是好事——因為有多個探測器時,有可能用三角測量來確定引力波的來源。

有望徹底改變天文學

貝爾蒂說:“超越可見光(到無線電波、X光的層面)徹底改變了普通天文學。與之類似,Lisa將徹底改變引力波天文學。Lisa將觀察不同等級的引力波來源。”他說,通過研究超大質量黑洞合併,“我們希望充分理解宇宙結構的形成,以及理解引力本身”。如果Lisa確實看到了大爆炸初期暴脹形成的“原始”引力波,那就能檢測萬物如何開始的理論。

或許還有一種觀測低頻引力波的方式,而這種方式完全不需要有目的地建造探測器。一個名為北美納赫茲引力波天文台(NanoGrav)的合作項目正在利用一個全球無線電望遠鏡網絡的觀測結果,尋找引力波對“宇宙時鍾”脈衝星的計時產生的影響。

脈衝星是高速旋轉的中子星,從旋轉軸向外發射高能無線電波束,像燈塔光線一樣掃射太空。脈衝星信號的規律性和可預測性非常高。NanoGrav團隊成員、美國範德比爾特大學的斯蒂芬·泰勒說,“如果引力波在脈衝星和地球中間穿過,它就會扭曲兩者之間的時空”,導致脈衝比預計時間更早或更晚抵達。

實際上,脈衝星自己也就成了“探測器”。正如NanoGrav團隊成員、美國科羅拉多大學博爾德分校的祖莉·科默福德所說,這種“探測器”的“手臂”可以有地球和脈衝星之間的距離那麼長,可能有數千光年。因為尺寸很大,NanoGrav能夠探測到波長極長、頻率極低的信號,甚至超出了Lisa的可探測範圍。這類信號是由質量為太陽數十億倍的超大質量黑洞形成的,而這些黑洞是在整個星系相撞時合併而成。泰勒說,其他探測器都無法感知到。

儘管這類合併造成的巨大影響超乎想像,但事實上它們相當常見,NanoGrav能夠看到由此產生的“熱鬧”景象。科默福德說:“宇宙中經常出現這種成雙成對的超大質量黑洞,它們相互環繞並產生引力波。這些漣漪產生的大量引力波都可供我們探測。”

今年1月,由科默福德的博士後研究員約瑟夫·西蒙領導的一支NanoGrav團隊報告稱,他們有可能首次探測到這種引力波背景。儘管還需要做更多工作才能證實這一信號確實由引力波造成,但科默福德稱,這一結果是“我過去幾年見到的最令人興奮的天體物理學研究成果”。

打開通向宇宙新窗口

倫敦大學學院物理學家蘇加托·博斯認為,事實上,如果NanoGrav能使用光年尺度的引力波探測器,那麼我們也能製作出一個小到可以塞進櫥櫃的引力波探測器。他的想法依賴於量子理論最奇特的一種效果。量子理論通常描述像原子這樣非常小的物體。量子物體可以處於疊加態中,這意味著它們在被測量之前沒有確定的屬性:不只有一種可能的結果。

量子科學家能夠經常把原子置於量子疊加態——但這種特性在足球這樣較大的物體上會消失。較大的物體要麼在這裏,要麼在那裡,無論我們是否查看它們。就我們所知,並不是較大物體不可能處於疊加態,而是疊加態維持的時間不可能長到被人們探測到,因為疊加態非常容易被物體周圍環境的任何相互作用給破壞掉。

博斯及其同事指出,如果我們能為大小介於原子和足球之間的物體(直徑約為100納米的微小晶體,差不多有大病毒顆粒那麼大)創造出疊加態,那麼這種疊加態將非常不穩定,也對引力波十分敏感。事實上,人們可以讓量子疊加態的兩種可能狀態相互干擾,就像兩束光波一樣,而引力波產生的時空扭曲將體現為干擾結果的變化。

博斯認為,在比外太空更加真空的環境中,冷卻到接近絕對零度的金剛石納米晶有望在疊加態保持得足夠久,從而完成這個看似不可能的任務。他說,做到這一點並不容易,但所有技術挑戰都分別得到過展示——問題是如何把它們整合起來。他說:“我認為未來10年左右做到這一點不存在任何障礙,只要有足夠的資金。”

如果這些項目和其他進展帶來引力波天文學的大繁榮,那麼我們將看到什麼?麥克納馬拉說:“當你打開通向宇宙的一扇新窗口時,你通常會看到意想不到的東西。”除了看到更多已知能產生引力波的各類事件以外,我們還可能得到無法輕易解釋的信號。他說:“那才是有趣的地方。”

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