脉冲双星探测法虽然不能说不靠谱,但毕竟是间接证明,就算我们发现的所有脉冲双星都得到了相同的结果,也不如真真切切地直接探测到引力波给力。就像当年的电磁波,没有实验验证,无论理论上电磁波的存在是多么理所当然、多么毋庸置疑,它也只能徘徊在物理大厦的边缘,站在哪儿都底气不足,撑不起科学的大梁。
所以,间接证明,只是给了我们继续探测引力波的信心。
就像道听途说苦苦追求的姑娘对自己似乎有了好感,虽然不那么确定,但足以让我们的追爱步伐更加坚定起来。
这不,在地面上施展各种绝技,也未获引力波芳踪的我们,被双星这么间接地鼓励了下,就决定胆子再大一些,步子再快一些,把目光投向了美丽的星空。
欧洲航天局(ESA)和美国国家航空航天局(NASA)搞了一个空间合作项目:激光干涉空间天线(LISA),这是目前最宏伟的引力波探测计划。
之所以叫做“计划”,是因为它真的只是一个计划,实施时间,计划在2015年。此计划之于物理界,相当于咱国领导之于本级官媒,倍受瞩目。
LISA怎么进行引力波探测呢?其实一看名字就知道,它的基本原理,还是利用激光干涉来感应引力波对空间造成的拉伸和压缩。
不过,它的形状与地面上的激光干涉探测仪有很大差别。造成这么大差别的原因,只有两个字:环境。
在地面上,有空气尘埃、风云雷电、雨雪霜露、人虫鸟兽等等诸多干扰。为了抵抗这些千奇百怪的干扰,对探测器的关键部分,包括激光路径等,必须进行密封、防震、低温、恒温、真空等技术处理,这需要一大堆笨重的配套设施、设备才能做到,这些配套设施,无论是数量还是体积,都远远超过了激光干涉仪本身。所以,我们在地面看到的所谓“激光干涉引力波探测仪”,通常是一个长达几百米甚至几公里的庞大建筑群。
而在太空中,不存在地面上常见的那些干扰,不用密封隔绝,本来就是真空,用不着防震,温度很低很稳定,所以,只要搞定激光干涉本身就OK了,用不着那些配套设备,甚至连那根长长的、用层层管子套装的长臂都省了。
根据现在的设计,LISA其实是三个一模一样的航天器,三兄弟在太空相互等距分布,作三足鼎立状,每两个兄弟之间的连线,都是500万公里(地球的直径只有1万多公里哟)。嗯,这是一个巨大的等边三角形。
每个航天器都有两个相同的光学台(包括光源、分束器、检测器、光学镜组等),分别与另外两个航天器上的对应光学台有激光交流,构成一套悬浮在太空的激光干涉仪。激光在两个航天器之间走一趟,要用大约16秒钟的时间。
虽然LISA的工作环境很理想,不需要那么多配套设施,但它仍然需要解决很多技术细节问题,如:激光长距离传输的损耗问题、航天器运行对激光频率造成的多普勒效应问题,保护关键部件不受光压和太阳风粒子影响的问题、如何减少地球引力影响的问题等等。
比方说,LISA将采用与地球相同的日心轨道,LISA与太阳的连线,和地球与太阳的连线之间的夹角为20度。这是为减少地球引力影响所采取的措施。
下了这么大力气,只为了一个很简单的目的:提高灵敏度和可靠性。那么,LISA的灵敏度能达到多少呢?它能够在500万公里的长度上,探测到10皮米(1皮米等于10^-12米)量级的长度变化!
这一精度,远远高于现有的各种引力波探测器。所以,物理学家们对她的殷切期待,远非其他引力波探测器可比。甚至有人期待,她可能探测到宇宙大爆炸时产生的“原始引力波”!
不管前景多么振奋人心,LISA现在毕竟还在孕育之中,我们多数人现在所能做的,只能是像盼望选票一样,好好活着,翘首以待。
不过,科学探索有山重水复,就有峰回路转、柳暗花明,苦苦追寻而不得的她,往往在蓦然回首间,就会俏生生地出现在你面前。2014年2月17日,美国哈佛大学史密森天体物理中心宣布,他们找到了宇宙膨胀理论的最有力证据,顺便找到了引力波存在的直接证据!
怎么找到的?哈佛大学的约翰?科瓦克(JohnKovac)带领他的团队,在南极架了套BICEP2望远镜,探测宇宙微波背景辐射——也就是利用宇宙中最古老的光,绘制宇宙地图。现如今,探测宇宙微波背景辐射只能算是常规的天文观测手段,因为这事儿,人类已经干了50年了。不同的是,现在探测精度越来越高。从BICEP2望远镜搞到的宇宙图中,科瓦克团队分析了微波背景辐射的分布,找到了宇宙暴涨期留下的痕迹——时空涟漪,也就是引力波。宇宙膨胀理论认为,138亿年前,宇宙诞生于大爆炸。爆炸初期,宇宙在不到10^-34秒的时间里膨胀了10^78倍,这就是所谓的“暴涨”。在暴涨期,时空涟漪被急速放大,促成了现在的宇宙结构。这个发现,补上了广义相对论、大爆炸理论缺失的拼图,进一步证明了两理论的完备性、正确性,意义重大。这一成果被确认后,会诞生一个新的诺贝尔物理学奖。
找到引力波存在的直接证据,LISA是不是就没用了?当然不,她会更有用。因为,人类如果能够探测到引力波,就相当于多了一双天眼,不仅会诞生引力波天文学,还会衍生引力波通信等高端大气上档次的福利,前途不可限量。不确定引力波存在时,制造LISA很可能是竹篮打水;一旦我们确定引力波存在,制造LISA就成了一项好处看得见的投资,不做白不做!所以,希望这个项目尽快上马吧!
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根据最新发现,在广相“引力波”部分增了一小段,诸兄斧正。谢谢!