欧洲航天局将发射三角形卫星进入太空研究引力波

三颗卫星以精确排列的三角形相互发射激光束，这听起来确实像科幻小说。但欧洲航天局 (ESA) 计划在 2035 年之前将这一设想变为现实。

该项目名为激光干涉仪空间天线 (LISA)，类似于著名的引力波探测 LIGO 实验——只不过是在太空而不是地下隧道中进行。该项目由欧空局牵头，与美国宇航局和一个科学家联盟合作。欧空局最近正式批准任务团队于 2025 年 1 月开始建造航天器，计划在十年后发射。参与该任务的天体物理学家，如马克斯普朗克研究所的天体物理学家 Sarah Paczkowski，对这一消息欣喜若狂，称该任务的通过“有益”且“令人兴奋”。

阿德勒天文馆天体物理学家、LIGO 合作项目成员迈克尔·泽文 (Michael Zevin) 解释说：“LISA 将对尚未探索的引力波状态（即时空结构中的涟漪）非常敏感。”引力波揭示了黑洞碰撞、超新星爆炸甚至宇宙最初时刻的物理现象。他补充道，LISA 的新视角“类似于首次在可见光范围之外的光线（如 X 射线或红外线）中观察宇宙，这为大量的科学研究、发现和对宇宙的理解提供了便利。”

自 2016 年首次探测到引力波以来，天文学家一直热切地通过这个新窗口探索宇宙。我们听到了两个黑洞螺旋式碰撞的最后时刻，并通过同时观测宇宙爆炸产生的光和引力波了解了宇宙中能量最高的事件（如超新星和伽马射线爆发）是如何发生的。

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LISA 和 LIGO 之间的共同术语是激光干涉仪，用来描述实验的设置。这些项目记录了引力波经过时两个物体之间的距离如何发生细微变化。它们通过两条长臂实现这一目标——在 LIGO 中，这是两条各长 2.5 英里的大隧道。在这些隧道中，有巨大的真空室管，激光沿着每条臂传播并从镜子上反射回来。当光在中心重新结合时，如果激光由于引力波的经过而不得不在一条臂中传播得更远，它看起来会有所不同。

但是，地球上的实验能够探测到的引力波类型有限。对于引力波，需要像 LIGO 这样的长隧道才能注意到波纹——而且臂越长，能探测到的波就越长。像 LIGO 这样的地下探测器最擅长发现最短的引力波，即黑洞或中子星碰撞前最后几毫秒产生的时空中非常高频率的振动。部分原因是地球充满了可能干扰探测器的活动。佛罗里达大学精密空间系统实验室的 LISA 电荷管理设备科学家西蒙·巴克说：“地震、汽车、海浪，甚至是经过探测器的云层”都会产生噪音，使天文学家无法听到宇宙的低频隆隆声。

地面探测器的实验规模有限；我们根本无法建造比地球更大、甚至比几个州还大的建筑，这限制了我们只能探测最短的引力波。在频谱的另一端，像 NANOGrav 这样的脉冲星计时阵列只能听到来自巨大超大质量黑洞的最低频率，因为它们正在测量被称为脉冲星的死星之间的巨大距离。对于介于两者之间的一切，你需要 LISA。

“到目前为止，我们只听到了非常狭窄的时空声音范围，”泽文解释道。“地面上的探测器一直在聆听引力波交响乐中的小提琴。脉冲星计时阵列最近宣布了听到整个宇宙中超大质量黑洞低音部分的证据。LISA 将成为第一台太空引力波仪器，它将聆听这两个范围之间的频率：管弦乐队的中提琴和大提琴部分。”

LISA 将由三艘航天器组成，每艘航天器都包含一个金铂实心立方体，激光器横跨它们之间的距离，以记录引力波引起的任何变化。这一概念需要令人难以置信的精度：航天器必须超稳定，确保只有时空运动会影响测试质量，以测量只有几十亿分之一毫米的波动。巴克说，每艘航天器之间的距离也将“大于太阳的直径”。

这项技术将使天文学家能够追踪银河系双星的碰撞，绘制出隐藏在星系中心的最巨大黑洞周围的引力图，并在极端环境下测试相对论，以至于“我们可能会看到与爱因斯坦预测的偏差”，巴克说。科学家们还希望 LISA 能帮助解决天文学中一个长期存在的问题：超大质量黑洞是如何发展到如此庞大的？即将进行的实验最终将能够观察到所谓的中等质量黑洞，泽文称其为“黑洞家族中难以捉摸的中间孩子”，其质量是太阳的数千倍，可能是成为超大质量黑洞的关键一步。

密西西比大学的引力波天文学家苏米特·库尔卡尼 (Sumeet Kulkarni) 也指出了这一时刻对我们地球上人类的重要性：“确认 LISA 将在不久的将来真正飞行，为整整一代物理学家、天文学家和工程师带来了许多新的研究机遇和挑战。”