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欧洲探测器将对宇宙引力展开测量

行业聚焦点中国仪表网2015年12月01日 18:34人气:2168

  【中国仪表网 行业聚焦点】探测空间—时间引力波的尖端技术能否在宇宙中使用?LISA探路者号(全名为激光干涉空间天线,其主要目的是用作引力波观测平台)是旨在回答这一问题的一项雄心勃勃的任务,该探测器上载荷了许多复杂设备。
  

  LISA探路者号将于12月2日发射。这是一项期待已久的由欧空局(ESA)斥资10亿欧元设计的空间观测平台测试任务。其接下来的任务是跟踪宇宙中最大的天体——包括巨大黑洞的合并以及星系的碰撞——发生时产生的时空涟漪。
  
  引力波在近100年前首先被爱因斯坦在其广义相对论中预测到,然而科学家从未直接观测它,更别提用它研究宇宙。目前地面上已经有天文观测站在捕捉这些引力波,但是空间观测站可以从光谱的另一端探寻这种时空涟漪。“这就像同时用射电望远镜和光学望远镜进行探测一样。”德国汉诺威市马普学会引力物理研究所主任、LISA探路者项目共同负责人Karsten Danzmann说,“你所看到的这部分宇宙是完全不同的。”
  
  最终的空间观测站将试图通过3个物体——彼此之间相聚500万公里——在自由落体运动中漂移时对激光的反弹,发现空间的拉伸和压缩现象。因为这些物体将受到其他所有外部力量的保护,按理论只有引力波能扰乱它们自由落体的同步性——这一干扰将会影响激光频率。
  
  LISA探路者号是这一终极计划中规模较小的一部分。其造价为4亿欧元,利用两个相隔仅有38厘米的物体实现目标观测,这两个物体均为质量2公斤、用金和铂打造而成的立方体,它们将位于同一个探测器内部。
  
  和其他观测平台不同,LISA探路者号的设计目的是用于进行先导性尝试探测。这些设置对于侦测引力波来说并不足够敏感,相反,其目的是展示这两个小质量物体可以完全相互独立,而它们在相对运动中出现的任何偏差都可以极其精准地被测量到。“我们没有做到两种物体相聚500万公里,但那又如何?”该项目科学家Paul McNamara说,“这里能影响我们测量引力波的元素已经足够多了。”
  
  从这颗探测器所在的法属圭亚那库鲁发射地点到接下来长达8周的旅程中,这两个立方体将会被紧紧固定在该探测器内部。但是当探测器到达太阳和地球之间被称为拉格朗日点1(L-1)的距离约150万公里的平衡点时,这些立方体将会被轻轻地松开,使其可以在探测器内部移动。
  
  一旦开始自由落体,“存在的挑战是如何把这两个小立方体与其周围的任何事物分割开来,这样才能使它感知到的唯一对象成为时间—空间。”McNamara说。他表示,预期的干扰因素可能包括太阳辐射以及杂散磁场带来的压力;该设备是如此的精致,以至于它可以检测到地球上一个微小细菌的重量。
  
  作为宇宙空间中的高精度实验室,LISA探路者号和ESA此前的任何一项任务都不同,英国伦敦帝国学院天体物理学家、带领团队设计并建造该探测器保护机制的Tim Sumner这样指出。
  
  该项目另一个不同寻常的元素是其携带的设备——两个立方体,它们将用于定义该探测器的轨道。当它们围绕L-1点运行并进入微重力环境时,探路者号将打开一些微型推进器。而这些推进器的推力十分微弱,需要1000个这样的推进器才能推得动地面上的一张纸。它们将用于监测两个立方体的位置,确保探测器在其上空盘旋,同时不让两个立方体接触到它的边缘。因此,Sumner介绍说,建造如此精密的设备需要设计这些载荷设备和建造探测器的工程师进行史无前例的精诚合作。
  
  这些复杂性也解释了为什么发射这颗探测器要花费如此长的时间,意大利特伦托大学物理学家、探路者号探测器主要负责人之一Stefano Vitale说。探路者号在2000年被ESA批准,最初计划在2006年发射。“不客气地说,我认为以前完全低估了其中的难度。”Vitale说,“但这也是我们建造LISA探路者的原因。”
  
  目前,该任务计划的最后一步是让载荷设备开足马力运行,检测探测器内部的温度、磁力以及静电,观察这些变化如何影响两个立方体,并以此检测LISA探路者号的极限。“我们希望尽可能了解一个自由落体运动物体的物理学现象,我们了解到的任何信息都会被反馈到未来任务的设计中去。”McNamara说。
  
  然而,一些善于“投机取巧”的ESA科学家已经在考虑当LISA探路者的主要探测任务(大约需要1年时间)结束之后,应该如何用它探测其他问题。例如,Sumner说,万有引力常数即G,也应该利用探路者的数据,因为G的真实价值仍存在争议,而从太空中带回的测量信息可能会提供有价值的视角。
  
  Vitale则指出,现在研究人员仍然要把目光聚焦在该任务的直接目标上。“我们最主要的目标是证实自由落体运动。”他说,“我们不希望偏离这个目标。”
(本文来源:中国科学报转载请注明出处
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