认识LISA：价值16亿美元的太空望远镜将重新定义天文学

这个由三部分组成的天文台将和太阳一样大，可以探测到时空本身的涟漪。

大约11年后，人类最雄心勃勃的任务之一将发射到太空。经过几十年的制造，激光干涉仪空间天线（LISA）可能会通过探测引力波彻底改变我们对宇宙的理解。这是你对科学的深入了解，这将使这个勇敢的项目成为可能。

哈勃太空望远镜重新定义了我们对宇宙的看法，而新发射的韦伯太空望远镜现在也在做同样的事情。一个雄心勃勃，史无前例的太空望远镜，将在未来十年发射，将继续这一传统，但它将以前所未有的方式做到这一点，能够探测到引力波等现象-时空中的涟漪，为宇宙中最神秘的事件提供了一个新的窗口。

引力波及其重要性

我们的宇宙充满了引力波 —— 宇宙中质量最大的物体，中子星和黑洞的运动在时空中产生的几乎难以察觉的涟漪。引力波以光速传播，但不要扭曲它：它们不是光。但就像大质量物体周围的引力场一样，引力波会扭曲光线，只有最细心的科学家 —— 用最灵敏的设备 —— 才能看到它们的存在。

2016年，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和处女座合作组织宣布首次探测到细微的引力波，当它们从巨大的源头发出时，会拉伸和挤压宇宙的结构。迄今为止，LIGO-Virgo-KAGRA探测器网络已经进行了100多次引力波探测。

引力波提供了关于产生引力波的系统的大量信息，帮助科学家修改黑洞和中子星的可能大小、环境和力学的目录。

第一次LIGO探测证实了引力波是宇宙的特征，一个世纪前物理学家阿尔伯特·爱因斯坦预言了引力波，距今已经近10年了。但是，LISA在这些探测之前就已经开始工作了 —— 30多年前，JILA的物理学家Pete Bender首次在纸上证明了这一点。但这项极其复杂的努力在20世纪90年代末开始真正成形，欧空局在1月份正式批准了这项任务。

格拉斯哥大学研究员、LISA英国硬件项目首席研究员伊万·菲茨西蒙斯（Ewan Fitzsimons）表示：“LISA太复杂了，一开始提出的时候，没有人相信这是可能的。”菲茨西蒙斯已经参与LISA项目18年了，从LISA探路者项目开始，现在在为这次任务设计光具座。什么是光具座？我们会讲到的。

探测引力波的科学

引力波不是由光子组成的，所以它们是看不见的，比如在你后院安装的望远镜，以及已经漂浮在太空中的价值数十亿美元的机器。但是天文学家必须研究的是光。那么他们是如何看到时空中的涟漪的呢？简单：精确测量激光束。

“我们正在LIGO和LISA中进行激光干涉测量，”领导LISA望远镜开发并参与该任务干涉测量的瑞安·德罗萨（Ryan DeRosa）说。“这意味着，我们基本上是用激光的波长作为标尺，来弄清楚长度是否发生了变化。”

在LIGO中，这些激光束被储存在长达数英里的地下隧道中，在那里（科学家们尽其所能）屏蔽了过往火车的轰鸣声、风，甚至地球本身的咕哝声。激光束在天文台的镜子周围反射。当引力波穿过LIGO时，激光穿过系统所花费的时间会告诉物理学家，引力波事件是否刚刚穿过我们的宇宙邻居。

“但这只适用于你的尺子不改变的程度，”德罗莎补充说。换句话说，如果激光束在LISA航天器之间来回飞行时，激光的频率完全偏离，那么从它们那里获得的数据就毫无用处。引力波与LISA的微妙相互作用将丢失。

脚注：激光干涉测量并不是发现引力波的唯一方法。脉冲星定时阵列发现波长更长的波纹；这些阵列跟踪快速旋转的脉冲星发出闪光的时间，以确定引力波何时加速或阻碍了这些光子的传输。

为什么要在太空建天文台？

在探测到第一个引力波后不久，NASA和ESA发射了LISA探路者号，这是一个概念验证任务，测试了对LISA成功至关重要的科学组件。具体来说，探路者号包含了两个测试质量，以表明飞船内部近乎完美的重力自由落体是可能的，并且可以精确测量。

LISA将“基本上在类似地球的轨道上运行。LISA项目的科学家艾拉·索普（Ira Thorpe）表示：“这三艘宇宙飞船围绕太阳的轨道与地球的轨道相似，但它们都在地球后面。它们的倾角和轨道相位略有不同，最终你会得到这个三角形星座，它实际上非常稳定。”

艾拉·索普代表美国宇航局参与LISA项目，尽管该任务实际上是由美国航天局领导的合作项目。在LISA之前 —— 事实上，在LISA开拓者之前 —— 索普参与了LISA任务的第一次尝试，也称为LISA。索普说：“我们喜欢我们的品牌愿景。”

索普说，引力波探测器面临两个主要的技术挑战。一个是你需要至少两个自由落体的物体，这意味着作用在这些物体上的唯一的力是重力。另一个挑战是测量这些物体之间的距离，测量时空的曲率。

LISA的科学与LIGO的有何不同？

“你总是在追逐小数字，你有两个选择，”德罗萨说。“你可以在一个很长的长度上测量一个非常小的长度变化 —— 这就是LIGO所做的。或者你可以在一个巨大的长度上测量一个相当小的长度变化 —— 这就是LISA所做的。”

LIGO的臂长只有（“只有！”）2.5英里（4公里）。与LISA相比，它简直是显微镜下的东西。LISA的激光臂长度为155万英里（250万公里）。太阳的直径为86.4万英里（139万公里），这意味着LISA的每一个臂都比我们的恒星宽。

这并不意味着像LIGO-Virgo-KAGRA合作项目管理的地面探测器没有用处。它们会探测到不同种类的事件。高频引力波对应于低质量源，而低频引力波是由更大的物体产生的，比如超大质量黑洞。LISA将在比LIGO更低的频段收集数据，揭示我们根本无法用地球上的机器看到的引力波源。

与LIGO不同的是，LISA“我们不需要处理在地球上的限制，”德罗萨说。这意味着一些事情。首先，这意味着所有干扰地球观测的恼人噪声源对LISA来说都无关紧要。一旦任务进入轨道，像一个巨大的黑洞拖网一样在地球后面旋转，这是一个相当不干涉的任务。

这在一定程度上是设计使然。正如德罗萨所指出的那样，携带比绝对必要的组件更多的服务组件，只会增加火箭的有效载荷，并增加失败的载体。对LISA来说，最好将其精简为实现任务目标所必需的基本系统，这在航天领域是一种普遍存在的理念。

然而，这并不意味着LISA在轨道上的经历将是彩虹和蝴蝶。即使在最和平的时候，太空也是一个严酷而无情的环境。

索普说，由于LISA航天器在地球轨道上侧翻，这个星座每年都会“呼吸一点”。当航天器旋转时，地球引力对离它最近的航天器的拉力略大，使航天器偏离直线。然而，航天器的缓慢漂移不会干扰该团队进行引力波测量的能力，引力波测量通常以分钟到小时为时间尺度。

LISA不是望远镜，它是“光束扩展器”。

还记得LISA是如何缓慢漂移的吗，以及它如何不影响团队进行引力波测量的能力？嗯，部分原因是因为LISA有一个望远镜系统，这是一个关键的机制，可以让激光束在太空中穿越百万英里的距离。随着航天器的漂移，望远镜调整以使激光束对准目标。但索普说，这种机制的作用范围有限。

索普说：“最终，在大约十年的时间里，星座的扭曲会变得足够大，以至于我们在调整机制上耗尽了空间。因此，这实际上最终决定了LISA的生命周期。”

“如果你在太空中发射激光束，它不会保持相同的大小，”德罗萨说。“由于衍射的作用，它在传播过程中变得越来越大。”换句话说，当激光远离光源时，它的能量就会减弱。LISA望远镜解决了这个问题 —— 它们将激光束的半径放大了数百倍，这样当衍射光束到达另一个LISA航天器时，它就会沿着臂传递大量的光子。

菲茨西蒙斯说：“我们称它为望远镜，但更准确的说法可能是它是一个光束扩展器。将激光束通过该系统会增加激光远端单位面积上的光子数量，从而使航天器之间的光传输最大化。”

德罗萨说，光具座为“所有这些测量和望远镜本身提供了一个参考平面”。这样一来，不仅仅是激光的波长起着标尺的作用。光具座是团队测量的对象，也是一把尺子。菲茨西蒙斯说：“这两者实际上都是你的标尺，如果其中任何一个表现不佳，那么你就没有衡量标准。”

LISA到底会看到什么？

LISA将能够探测到地球上的干涉仪根本无法探测到的引力波源：波周期较长的引力波源，比如被超大质量黑洞和星系中心的超大质量双星困住的致密物体。

LISA还将能够发现银河系中正在合并的白矮星，正在合并的中等质量黑洞（众所周知，宇宙中不存在这种黑洞，至少就天文学家所知），也许还有迄今为止未知的外来物体。

理论产生观察，反之亦然；当LIGO发现引力波时，它不仅证实了爱因斯坦的理论，而且为关于宇宙构成的更先进的想法提供了一个新的试验场。LISA将揭示更多关于我们宇宙中的致密物体的信息，以及生命围绕这些物体旋转的信息。银河系的中心有一个质量约为太阳400万倍的黑洞。LISA将研究的许多超大质量黑洞将比这大得多（大约是太阳质量的104到107倍）。

最大的挑战还没有到来

LISA是一个耗资16亿美元的项目，历时数十年。现在，欧洲航天局和美国国家航空航天局的团队正在建造将被送往太空的实际硬件。菲茨西蒙斯说：“LISA最大的挑战是知道它是有效的，因为它的很多东西都不能在地面上测试。航天器工程的一个特点是，除了非常特殊的情况，一旦上天，你就无法修复它。”换句话说，团队只有一次机会把事情做好。

“这是一个基于太空的干涉仪，”德罗萨说，“通常要进入太空，你必须要对付火箭。火箭有发射载荷，冲击和巨大的热波动。我的整个望远镜都是玻璃做的。”

这是一个非常直白的说法。金属会随着温度的波动而膨胀和收缩，最轻微的波动都会干扰LISA的测量。这就是为什么该团队在望远镜的建造中使用了大量的玻璃；虽然玻璃易碎，但它也很坚固，是LISA在太空中旋转时的有用材料。把它完好无损地送上太空将是一项更加棘手的任务。

航天器的光具座由专门的机器人集成系统组装，利用氢氧催化键将光学元件固定在基座上，精度达到皮米级。大多数光具座是由玻璃和陶瓷制成的，而粘合技术“基本上是在光学和基板之间生长玻璃，”菲茨西蒙斯说。该团队正在建造10个这样的光具座，包括几个原型和两个备用光具座，“以防有人掉了一个”。

我们距离LISA的发射还有好几年的时间，但这项巨大的工程是本世纪最重要的项目，它将破译天体物理学的基石之一：黑洞和它们塑造时空的方式。