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质量|欧航局打造太空探测器：引力波天文学将迎大繁荣

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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 。 ”
【质量|欧航局打造太空探测器：引力波天文学将迎大繁荣】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 。 ”

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