首個天基引力波探測器開工建造歐洲主導的LISA任務將遠距離研究巨型黑洞

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ESA

上個月，全球首個天基引力波探測器已啟動建造工作。歐洲航天局（ESA）及合作的航空航天企業正研發軌道探測航天器，用於觀測來自宇宙中部分超大質量天體的引力波（https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/LISA/Construction_of_ESA_s_ambitious_LISA_mission_begins）。

雷射干涉空間天線（LISA）衛星星座將由3顆衛星組成，它們將以三角形編隊圍繞太陽執行，彼此間距達250萬公里，且位於地球后方6000萬公里處。這3顆LISA航天器計劃於2035年發射，每顆航天器都會向另外兩顆發射雷射束，以此測量衛星之間的距離，精度可達到皮米級（1皮米等於1萬億分之一米）。

透過探測雷射中的干涉圖案，LISA有望發現全新範圍的引力波 —— 這種由超大質量天體（如黑洞和緻密恆星）碰撞引發的時空神秘漣漪。

這項由歐洲航天局（ESA）主導、耗資近20億美元的任務，將打造一臺下一代觀測裝置，與目前引力波物理學領域的 “主力”—— 曾獲諾貝爾獎的雷射干涉引力波天文臺（LIGO，分別位於美國路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福德）並肩協作。天體物理學家們希望，LISA能填補人類在超大質量黑洞演化認知上的重大空白 —— 這類巨型天體存在於像銀河系這樣的星系中心。

“地面探測器能夠測量頻率約 20 赫茲到幾千赫茲的引力波，” 德國馬克斯・普朗克引力物理研究所精密干涉測量學教授、LISA科學聯盟成員Guido Mueller表示，“未來，我們或許能將地面探測的頻率下限推進到1赫茲，但低於這個頻率的引力波，在地面上幾乎不可能探測到，因為地球環境中存在各種噪聲源（會產生干擾）。”

像LISA這樣的軌道探測器能夠捕捉到那些振盪頻率更低的引力波，從而為黑洞研究開闢全新的可能。

引力波的頻率由產生它的碰撞事件所蘊含的能量決定。LIGO能很好地探測到較小黑洞碰撞產生的引力波 —— 這類黑洞的質量最高可達太陽的100倍。但它無法探測星系級超大質量黑洞的碰撞訊號，這類黑洞的質量相當於數百萬個太陽。Mueller指出，這些巨型黑洞合併時會產生頻率為毫赫茲級的慢引力波，而這類引力波只有在太空中才能被探測到。

LISA將如何觀測宇宙中最大的黑洞

除了太空近乎絕對的寂靜環境外，LISA還將受益於干涉儀三顆航天器之間的巨大間距 —— 這使它能夠探測到比地面裝置LIGO微弱得多的訊號。

“在太空中，我們能建造規模大得多的干涉儀，”OHB Systems公司（LISA衛星的主承包商）的LISA航天器首席系統工程師Frank Steier表示，“在地面上，我們的干涉儀間距最多隻有幾公里，但在太空中，儀器的工作間距可以達到數百萬公里。”

每艘LISA航天器的核心部件是兩個自由漂浮的金色立方體，大小與魔方相近。這些立方體兼具 “測試質量塊” 和 “反射鏡” 的功能 —— 它們會反射另外兩艘航天器發射的雷射。當引力波經過航天器時，金色立方體的位置會發生最大1奈米的位移。而隨著時空產生微小的拉伸或壓縮，雷射的傳播時間也會相應縮短或延長（https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/LISA/LISA_factsheet）。研究人員透過分析雷射訊號疊加形成的干涉圖案中的細微變化，就能對引力波以及產生這些引力波的超大質量天體的特性展開研究。

歐洲航天局（ESA）曾透過一項名為 “LISA探路者”（LISA Pathfinder）的前驅任務測試了LISA系統的基礎原理 —— 該任務在2015至2016年間圍繞地球執行。儘管如此，仍有許多技術難題有待解決。美國國家航空航天局（NASA）的 “重力恢復與氣候實驗後續任務”（GRACE-FO，https://gracefo.jpl.nasa.gov/overlay-quick-facts/）目前正使用一套更簡單的干涉測量系統，透過兩顆相距220公里、繞地球執行的衛星來研究地球的引力異常。但Mueller表示，LISA這種 “長臂” 干涉儀（間距達250 萬公里）是一項全新的嘗試。

M. Polo/ESA

Mueller表示，用於重組雷射束的光學平臺，將比 “LISA 探路者” 和GRACE-FO任務中使用的同類裝置更大、更復雜。LISA的相位測量系統（又稱相位計）必須能夠以前所未有的精度，測量雷射訊號的相位變化及其傳播時間的變動。

為了讓金色立方體保持完美的自由落體狀態，工程師們正在研發 “無拖曳姿態控制系統（DFACS，Drag-Free Attitude Control System，https://www.cosmos.esa.int/web/lisa-pathfinder/dfacs）”。該系統將使這三顆六邊形、重800公斤的衛星始終精準地圍繞立方體居中執行，還能檢測到航天器姿態最細微的變化並將其調整回原位。

“我們必須確保以特定方式控制衛星自身的引力，使其不會干擾測量，” Steier表示，“這是隻有LISA這類任務才需要做到的事。”

黑洞衰減振動及其他觀測目標

除了捕捉振盪頻率極低的引力波，LISA還能記錄比LIGO長得多的引力波演化過程，從而更深入地揭示產生這些引力波的劇烈天體事件。

當兩個黑洞進入彼此的引力場範圍時，它們周圍的時空就會開始震顫。儘管這兩個天體的合併在瞬間完成，但新形成的黑洞在穩定下來的過程中，會持續釋放引力波 —— 這一階段被稱為 “衰減振動（ringdown，https://www.aei.mpg.de/749477/for-whom-the-black-hole-rings）”。LISA探測器將能夠捕捉到遙遠宇宙中黑洞合併各階段（包括靠近、合併及衰減振動階段）產生的引力波。此外，LISA的設計目標還包括探測銀河系內小型黑洞與中子星碰撞所產生的引力波。

“這些黑洞合併過程要持續數百萬年，但在地球上，我們最多隻能探測到其中幾秒的訊號，之後就消失了，” Steier說，“藉助LISA，我們將擁有高得多的靈敏度，能夠接收持續時間長得多的訊號。這不再是短暫的‘脈衝’，而是長時間的連續訊號 —— 這讓我們得以對合並系統的演化進行長達數月甚至數年的觀測。”

來自10個歐洲國家的科研與工程團隊已著手研發該任務所需的各類硬體元件 —— 包括前文提到的精密光學器件、航空電子裝置以及金色測試質量塊。