LISA：太空中的引力波探测器

LISA：太空中的引力波探测器
著：Robert Irion　译：Shea

　　欧洲和美国的科学家正致力于建造LISA——边长为500万千米的三角形空间探测器，用它来倾听黑洞相遇时的喃喃低语。

　　这是一个新奇的主意。发射三个绕太阳公转的探测器，并且将它们置于边长为500万千米的三角形的三个顶点上。然后使用1瓦的激光和30厘米的望远镜来测量悬浮在每个探测器中金属立方体之间相对位置的变化。其测量的精度可以达到10皮米——也就是1/10埃。NASA戈达德航天中心的光学工程师尤金·瓦卢施卡（Eugene Waluschka）说：“在所有的场合，你都能听到听众对这些数字所发出的低声轻笑。”

　　但是，下一步的工作却使瓦卢施卡和他的同事笑到了最后，这些测量数据可以告诉我们时空结构中引力波的详细情况，使我们获得有关黑洞合并的相关认识，而通过其他的途径天文学家目前还无法做到这一点。这就是激光干涉空间天线（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）带给我们的诱人前景，欧洲和美国正联合推动这项计划，预计2011年发射升空。

　　LISA不会取代激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）以及类似的地基天文台，它们正努力克服地球噪声对它们观测的干扰。与之不同的是，LISA所观测的引力波段与它们的不同，就像射电望远镜能看到光学望远镜无法看到的东西。LIGO和类似的设备正试图探测一些突发事件中的高频引力波，例如离心超新星爆发或者两颗中子星或恒星质量黑洞的碰撞，而LISA则会用来倾听持续数月或数年的低频引力波。如果说LIGO是用来监听宇宙老鼠的吱吱叫声的话，那么LISA则是用来倾听缠绵的鲸歌的。

　　按照理论预计，引力波源包括银河系中的白矮星双星，它们数量巨大，甚至会产生一个引力波辐射背景。更强的辐射源则是大小黑洞之间的合并或者是星系核中超大质量黑洞的合并。“这是LISA最主要的探测目标，”NASA戈达德航天中心的项目科学家罗宾·史丹宾斯（Robin Stebbins）说，“十年前，人们甚至不相信在大多数星系中存在着大质量黑洞。LISA所涉及到的科学知识已经取得了长足的进步。”

　　这些都是在宾夕法尼亚州立大学所召开的第4届国际LISA研讨会100多位与会者的心声。特别当美国政府承诺提供资金时，这项对技术要求甚高的计划开始显得越来越重要。其总耗资已经从现在预计的6亿美元上升到了10亿美元。而且，计划2006年发射用于在微重力环境下测试LISA核心技术的欧洲空间局（European Space Agency，ESA）卫星已经开始设计制造。“工作人员已经开始准备投入工作，”宾夕法尼亚州立大学的天体物理学家、此次会议的组织者萨缪尔·费因（L. Samuel Finn）说，“LISA已经不再是仅仅停留在纸上的学术问题了。”

[图片说明]：当引力波穿过时，LISA三角形会伸缩几百个纳米。NASA/JPL提供。

遥远的低语

　　LISA计划要求发射一组三个以地球轨道绕太阳公转的探测器，它们将位于地球后面5千万千米。从太阳系的上方往下看，LISA三角形的中心将沿地球轨道转动，同时每一个探测器也将以一年为周期绕这个中心转动。每个探测器看上去就像一个油炸面包圈，中间有一个“Y”形的仪器舱。

[图片说明]：LISA绕太阳转动的轨道。ESA提供。

　　比探测器更至关重要的是其搭载的设备：6块边长为4.6厘米的金-铂立方体，它们各自悬浮在“Y”形仪器舱的每个上臂之中。这些就是LISA的“检验物质”，在时空弯曲和伸缩使它们可以自由的漂移。为了LISA的正常运转，每个2千克重的立方体都必须沿独立的轨道绕太阳转动。探测器会把它们隔离在真空室内，并将使用必要的硬件——激光和小望远镜——来监测它们相对位置的波动。

[图片说明]：油炸面包圈形的LISA探测器（左图）。LISA探测器的有效载荷（右）：每个探测器上会搭载两台望远镜和相应的激光和光学系统。检验物质是LISA有效载荷中用来探测引力波的核心部件。ESA提供。

　　当它们在太空中运动时，每一个探测器都会监测与另外两个探测器之间相对位置的变化，而不是去测量绝对距离。其目的就是用来探测大质量天体互相绕转时所引发的时空周期性膨胀和收缩。每个探测器的光学系统会制造出每秒钟切换1百万条暗条纹的高速变化干涉图样。时空波动会或多或少的交替加强或者减弱这些干涉图样。

　　确实，LISA所探测的低频引力波辐射的强度——一般持续十几秒到数千秒——是天体物理学家热衷于LISA的主要原因。“对于第一代LIGO，我们仅仅是处于可探测性的边缘，正努力从噪音中挖掘出有用的数据，”蒙大拿州立大学的天体物理学家尼尔·考内什（Neil Cornish）说，“人们普遍认为这是引力波探测的现状，但是对于LISA，情况就完全不同了。我们拥有极高的信噪比，甚至比一些光学仪器还要高。在投入运转之后1小时，我们就会发现LISA的威力了。”

[图片说明]：黑色线条标出了LISA所能探测的阈值。图中暗黄绿色的区域表示双星系统所发出引力波频率小于3mHz，尽管这样的双星在银河系中有很多，但是LISA无法分辨出它们，而且这些信号会形成一个引力波辐射的噪音背景。亮黄绿色表示LISA能够分辨出的靠近太阳的发出较高频率引力波的双星。蓝色区域表示红移为1的星系中大质量黑洞的合并，其信号会十分的复杂。ESA提供。

　　然而，检验物质对其周围环境安静度的要求极为苛刻。“它对于宁静度提出了全新的要求，”NASA喷气推进实验室的物理学家邦尼·苏迈克（Bonny Schumaker）说，“LISA极为敏感，它要求我们所能想象到的最宁静的环境。”苏迈克的计算表明40千米外一个人小声说话所产生的空气压力就足以使LISA中的检验物质失灵。

　　德国阿尔伯特·爱因斯坦研究所主任、欧洲空间局LISA项目科学家卡斯登·丹泽曼（Karsten Danzmann）说，现在的技术已足以排除这些干扰。“不需要什么技术上的突破或者什么奇迹，”他说，“精湛的工程技术就能使我们达到预想的灵敏度。”例如，新型的微推进器足以保持探测器不与检验物质发生接触。

　　为了达到LISA的设计要求，ESA和NASA的物理学家将会在ESA2006年发射的SMART-2卫星上安装两套测试组件。“在地面上我们唯一不能模拟的就是微重力情况，”意大利特兰多大学的物理学家、ESA测试飞行组件的设计者斯坦分诺·维泰尔（Stefano Vitale）说。他的同事多次提醒他LISA将面临的一个问题：一旦有什么设备出现故障，很难派人去维修。

猎捕黑洞

　　出了一些必定的引力波辐射源之外，天体物理学家对LISA最有可能探测到的目标提出了异议。计算表明LISA最有可能探测到的是来自银河系中数千对密近双星所发出的引力波。它们的绕转周期大约是几分钟，当它们的绕转轨道越收越紧时就会辐射出引力波。银河中其他1亿对类似的双星也会辐射出引力波，形成一个模糊的背景噪音。一些包含中子星或者恒星质量黑洞的双星也将会触发LISA，尽管现在还不能确定它们的数量。

　　更引人关注的是，LISA将有助于精确测量黑洞附近的引力场，这被加州理工学院的天体物理学家斯戴尔·菲尼（E. Sterl Phinney）称为猎捕黑洞。菲尼认为通过监测小黑洞（5-10倍太阳质量）与星系中央超大质量黑洞的合并，LISA可以为爱因斯坦的广义相对论提供最佳的检验途径。

　　“小黑洞会在强相对论区域绕超大质量黑洞转动1万-10万圈，”菲尼说，“在这个过程中，它们会产生LISA所能探测到的最丰富的和最复杂的引力波信号。”弄清楚这些至今尚无法预知的信号将会是一个漫长而痛苦的过程——但这是天体物理学家们所渴望的痛苦。

　　另一个潜在的引力波辐射源来自两个超大质量黑洞的合并。这一事件，无论它发生在宇宙的哪个角落，其所造成的时空弯曲是其他任何事件都无法比拟的。但是，现在还不能确定在LISA3-10年的使用寿命中是否有探测到它的可能性。最近对射电星系的分析表明类似的合并大约每年发生一次。这在同类型的研究中是极为乐观的，其他研究表明两个相距几光年的大质量黑洞的合并要花上数十亿年。

　　“现在我们知道星系正处于合并之中，”密歇根大学的天文学家道格拉斯·瑞其斯多（Douglas Richstone）说，“尽管合并率在下降，但它们仍在继续。因此在某个时候就会出现超大质量黑洞双星。在某个地方其中一对超大质量黑洞会正处在合并的最后阶段。”但是，JILA的物理学家彼得·班德（Peter Bender）提醒，合并事件的发生率至今还是未知数，“我们还无法担保我们对大质量黑洞的认识都是正确的。”

　　就算没能捕捉到黑洞，LISA也还能向我们展示星系核形成发育的过程。由于宇宙的膨胀，来自遥远的小质量黑洞合并事件中的高频引力波将会延伸到LISA的低频波段。“这是一个了解几百个到几千个太阳质量黑洞合并或超大质量黑洞的极佳机会，”班德说，“LISA将大大有助于我们弄清楚这一过程。”

　　最后，可能存在一些至今还不知晓的引力波辐射源。蒙大拿州立大学的考内什说，寻找这些异常的信号有点类似于寻找乱码——它们通常表现出少见而奇特的样式。“依靠创造力和运气，我们也许能找到这些意料之外的辐射源，”考内什说，“但是这很难。”

跨越大西洋的合作

　　LISA所面临的挑战和机遇需要欧洲和美国共同去应对。如果在宾夕法尼亚会议上的合作精神是一种预兆的话，LISA将成为空间项目国际合作的典范。

　　LISA现在是ESA最重要的项目，而且ESA正致力于完成整个计划。NASA现在还不够投入，尽管它也会参与2006年的测试飞行。NASA总部的LISA项目科学家迈克尔·沙莱蒙（Michael Salamon）说，LISA是未来20年“宇宙结构和演化”课题中两大优先发展的计划之一。另外一个则是被称为“X星座”（Constellation-X）的高新X射线望远镜阵。

　　但是，许多科学家担心未来NASA的财政预算会有悖于沙莱蒙的这番话。“就目前而言，如果你光看钱的话，NASA不可能同时做LISA和X星座两个计划，”费因说，“ESA已经为LISA投入了很多，而且这已经带来了一些问题。如果美国不尽快全面参与的话，问题将变得更糟。”

　　ESA的负责人对NASA的5-5分成参与计划表示欢迎，但是他们也同意费因的观点。“如果计划由于缺少NASA的资金而推迟或者取消，那将会产生极大的负面影响，”ESA的LISA项目主任阿尔贝托·吉阿诺里奥（Alberto Gianolio）说，“那将是对我们合作的沉重打击。”

　　但是，当萤火虫在宾夕法尼亚静谧的夏夜中闪闪发光时，没有科学家愿意面对这样的困境。“我已经使自己成为了一个引力波天文学家，”考内什说，“尽管曾经我们仅仅是空想中的天文学家，但是随着时间的流逝它已经拥有越来越多的现实意义。”

[Science　2002年8月16日]