不仅能听，还能“测量”！欧洲LISA计划将捕捉“仅其可见”的引力波

作者| 韩文标 中国科学院上海天文台研究员

你知道吗？原本只能在地面上“听见”的引力波，即将可以在太空中测量到了！今天我们来聊聊欧洲今年正式立项的空间引力波探测器LISA（Laser Interferometer Space Antenna）计划。它的全名是激光干涉空间天线，目标是在太空中探测低频的引力波。

大家可以把引力波想象成宇宙中的时空涟漪。就像在池塘里扔一块石头，水面会荡起波纹一样，天体比如黑洞或中子星的剧烈运动也会产生这样的涟漪。这种涟漪实际上是时空的波动，以光速传播，我们称之为引力波。

那LISA是如何探测引力波的，为什么要在太空中测量引力波呢？下面我就给大家详细介绍一下。

LISA的原理其实和地面上已经存在的引力波探测器激光干涉引力波天文台LIGO（Laser Interferometer Gravitational-WaveObservatory）很像，都是采用激光干涉技术。LIGO通过分光镜把一束激光分成两束，在两条长臂上来回反射。当引力波经过时，两条反射臂的长度就会发生变化，这个变化极其微小，可能是质子半径的千分之一，但是也会引起两束激光的相位发生变化，当它们再碰到一起发生干涉时，亮度就会随时间发生变化。引力波探测器就是利用这样的原理来探测非常微弱的引力波信号的。

和地面上的LIGO不同，LISA把这种激光干涉仪搬到太空中去，它由三个相同的航天器组成，在地球身后数千万公里处随地球一起绕着太阳运转。轨道设计的非常聪明，使得这三个航天器始终保持一个等边三角形，这三个航天器相互之间相隔250万公里。相当于激光臂长250万公里，远远超过LIGO的四公里。

因此工程技术的难度可想而知，如此遥远的距离，如何确保能够捕捉到250万公里外发出的激光就很有挑战性。而太空中复杂的环境使得航天器受到各种非引力的干扰，会导致探测引力波失败。

为此科学家使用了一种神奇的技术方案。在每个航天器中都装有由金铂合金制成的悬浮小立方体，它们被隔离在真空的空腔中。引力有个很神奇的性质，就是没有办法被屏蔽，但其它相互作用如电磁力则可以被屏蔽。这样这些小立方体就只感受到引力的作用。但装载它的航天器却受到各种干扰。为此，还需要用无拖拽技术，精密控制航天器，让航天器随着小立方体一起运动。当引力波通过时，这些质量块之间的距离会微小的变化。LISA利用激光干涉技术精确测量这些变化，即使它们小到只有几皮米（一皮米是万亿分之一米）也能被探测到。

如此长的臂长使得LISA能够探测到毫赫兹频段的引力波信号，这些低频引力波通常来源于质量达百万太阳质量的超大质量黑洞。这是地面的LIGO无法探测到的。由于LISA超高的灵敏度，它可以探测到宇宙刚诞生后的各种引力波信号，为我们揭示宇宙早期的科学知识。

当然，我们国家也不甘落后，同时提出了太极和天琴两个空间引力波探测项目，准备在太空中和LISA一较高下，共同探究宇宙的奥秘。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者名称：韩文标

审核：柳聪亮 中国科学院国家空间科学中心 研究员

出品：中国科协科普部

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