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一路坎坷,LISA探路者艰难启航!

今天天发射的LISA探路者,将为太空引力波探测铺平道路。图片来源:ESA

UPDATE:LISA探路者已于12月3日发射升空,预计将花10周时间转移到最终的轨道。预计此次试验顺利!

北京时间今天(12月3日)中午12:15分,一枚织女星运载火箭将从法属圭亚那航天中心发射升空,将LISA探路者(LISA Pathfinder)运送到150万千米以外的日-地关系第1拉格朗日点。这个探测器名副其实,作为LISA的探路者,它将踏出太空观测引力波的第一步。

引力波

对于物理学来说,整整一个世纪前的1915 年,是一个有某种神圣意义的年份。这一年,在经历长达10年的苦思冥想之后,爱因斯坦终于确定了描述引力的场方程。1915 年11 月25 日,他正式提交了描述广义相对论公式的论文。同时,他在德国科学院做了每周一次,一共持续4个星期的报告,向世人正式揭晓那一石破天惊的结论:引力,不过就是时空的弯曲。

整整一百年之后,此时此刻,我们又将迎来激动人心的时代。2015 年9月18 日,脱胎换骨后的地面引力波探测器advanced LIGO 正式开始工作;而今天,LISA pathfinder 将正式发射升天。我们,屏息凝神,聆听宇宙。

这个时刻,大概爱因斯坦做梦也没有想到过。推导出广义相对论之后,他很快就意识到,如同电磁波一样,引力也是以波动的形式传播,并且速度就是光速。他随后在论文中写到,然并卵,引力波太过微弱,根本无法探测。

很多科学家都拼命想证明爱因斯坦错了,成功的人并不多,探测引力波的人算是其中一员。爱因斯坦这回的确错了:引力波确实很弱,但并非无法探测。利用激光干涉的方法,以及一系列牛逼闪闪的技术,我们可以探测到非常微小的时空扰动。有多小呢?原子足够小了吧,如果把我们的探测器延长,一头在地球,一头在太阳,探测器长度发生哪怕只有一个原子尺度的变化,我们都需要把它探测出来。而这样精度,advanced LIGO 现在已经做到了。

然而,地面上的探测器也有自己的苦楚。正是因为它实在太灵敏了,稍有风吹草动它都会受到影响。几千米外卡车驶过高速公路,几十千米外的森林里有人砍树,几百千米外海浪拍着沙滩,都会在LIGO 探测器上留下踪迹。由于这些噪声的存在,在地面上我们只能关注高频的引力波(100-1000 Hz),低频引力波只能放弃了。要探测频率低很多的引力波信号,就必须远离地球,向太空进发。

LISA

空间探测引力波的项目并不像地面项目这么幸运。空间项目一向以其高风险著称,一旦发生故障,基本上仪器就彻底报废,除非花大钱更换零件(比如哈勃望远镜)或者更换科学目标(比如搜寻太阳系外行星的开普勒望远镜)。

空间激光干涉引力波探测器LISA,首次提出是在上世纪六七十年代,但是直到今天,距离发射依然遥遥无期。在最初的设计中,3 个探测器两两之间形成相距500万千米的干涉臂,相当于从地球到月亮距离的13 倍,一共可以构成3个干涉仪。如此遥远的距离,这些卫星一旦发生故障,要维修是根本不可能的。至于那些让探测精度提升到惊人地步的牛逼技术⋯⋯ 这么说吧,牛逼和稳定可靠,在技术上基本是一对反义词。

LISA原本计划用3个探测器相互间隔500万千米,构成3个空间激光干涉仪,用来探测引力波信号。图片来源:https://www.elisascience.org/

其实,LISA 的预计发射期,一直以来都是“大概10年之内”。起初是研发进行到一半,发现技术难度超出预期,导致发射期一拖再拖;到后来,技术渐渐成熟,管卫星经费的那帮人又开始说,我怎么知道你的技术是否可靠?于是LISA 团队提出了一个折衷的方案:先发射一个探路器,要比发射3颗卫星便宜得多,可行性也高得多。如果一切运行稳定正常,到时候再拨钱给LISA——这就是LISA 探路者的由来。

就在大家信心满满,等着用LISA 探路者的结果说(打)服(脸)那些管经费的人时,2007 年金融危机来了,NASA 大幅度削减经费,大批天文项目纷纷被砍,LISA 也不例外。幸好,这个项目从一开始就不是NASA 一个人在战斗,美国人退出了,欧洲空间局ESA 就此接手。

不过,ESA表示家里余粮也不多了。LISA只能作出让步,把探测器间距缩短到100万千米,干涉臂也减到了2条,只能组成一个干涉仪,甚至连名字都改成了eLISA。我很想说,她从此过上了幸福快乐的生活。可惜,现实是残酷的。eLISA的经费已经无以为继了。当然,严格来说,eLISA 项目仍然存在,只是在2034 年之前都得不到足够的经费可以把它发射上天了。现在eLISA的人又开始蠢蠢欲动,把目光投向了遥远的东方,寻找中国土豪的合作;而我国也在计划自行研究空间引力波探测器“天琴计划”。

不知道该说是幸运,还是不幸,LISA探路者的发射已经板上钉钉了,所以照旧发射不误。原先热情满满搞LISA 的人,只能寄希望于这个探路者成绩优异表现出色了。毕竟,20 年后能不能拿到经费给LISA 续命,就在此一博了。

LISA探路者

那么,LISA探路者究竟要干些啥呢?

基本上,就是把整个100 万千米的LISA 基线浓缩到一个人造卫星之内,让两个相距38 厘米的无拖曳金铂立方体处于失重状态,通过一系列技术屏蔽外界的各种因素对两个立方体的干扰,间歇性地用相当微小又相当精确的推动器控制这些小立方不要跑出去,然后用激光干涉技术测量他们的测地线偏差。

换句话说,就是自由落体。是的,自由落体,不仅仅出现在物理课本和习题上,还出现在最尖端的科研前线。

LISA 探路者,就是要保证两个金铂立方体处于自由落体状态,并用激光干涉测量期间距离的微小变化。所以,它需要飞行到地球引力与太阳引力互相平衡的拉格朗日点,让间隔38 厘米的两个被测立方体处于自由下落(失重)的状态。探测器所有的功能,就是保证它肚子里的两个立方体自由下落,不收外界干扰。

LISA探路者的任务,就是要保证它内部的两个金铂立方体处于自由落体状态,并用激光干涉测量期间距离的微小变化,以验证未来eLISA将要用到的技术是否切实可行。图片来源:ESA

自由落体并不难,真正困难的是要达到令人发指的测量精度(10-12米,原子半径都比这个数大100 倍)。想想看吧,连探测器里不同零件的布局都要用精确的计算机建模来反复修改配重,才可以平衡两个金铂立方所受到的探测器本身的引力。

另外,你还得想办法让两个金铂立方体保持在一个很狭小的范围内。在一定范围内让两个立方体自由飘动,飘得太过分了就纠正一下,再继续飘动。这一个飘动一个纠正都大有讲究,需要非常微小而又非常精确的控制器,而所有这一切都得装在一个很小的探测器里。想想就不得不感慨,这可是不折不扣的螺蛳壳里做道场。

当然,LISA探路者的使命就是要测试牛逼的技术是否能够正常运行。简单举两个例子。引力很弱,你跳一下,就能够用腿部的电磁力抗衡整个地球对你施加的引力。如此傲娇的引力,太容易被别的因素影响了,所以金铂立方体真的是见光死——不是说它怕被晒黑,而是说太阳光有光压,金铂立方会被光压推动而不再处于自由下落的状态。另外,火箭发射时卫星会经历很强的加速度和颠簸,如此精密的仪器要是在发射时颠坏了,可就不好玩了。

这些种种困难,我们能想到的,想不到的,都已经被LISA 探路器的科学家一一解决了。马上,就是见证奇迹的时刻——明天,我们组做LISA的人大半都会现场观看发射,而我们这些酱油党会在当地时间4 点半起聚集在办公室里看电视直播,对着飞天拉面大神祈祷,希望发射一切顺利。(编辑:Steed

The End

发布于2015-12-02, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

我的评论

胡一鸣

原铁杆天文爱好者,曾任南大天文爱好者协会会长。坚守着“道天制志天道,学文言研文学”的座右铭,终于走上了天文研究这条不归路。现在德国马克斯-普朗克引力物理研究所做博士后,研究引力波。

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