歐空局將在 NASA 的支援下開發引力波太空任務

歐空局將在 NASA 的支援下開發引力波太空任務

ESA(歐洲航天局)已選擇鐳射干涉儀空間天線 (LISA) 用於其在該機構的宇宙視覺科學計劃中的第三次大型任務。三航天器星座旨在研究太空中的引力波,是歐空局和美國宇航局長期研究的概念。

ESA 的科學計劃委員會在 6 月 20 日的一次會議上宣佈了這一選擇。現在,該任務將在建設開始之前進行設計、預算和提議以供採用。LISA 預計將於 2034 年發射。NASA 將與 ESA 在任務的設計、開發、運營和資料分析方面成為合作伙伴。

歐空局將在 NASA 的支援下開發引力波太空任務

此圖顯示了 ESA(歐洲航天局)的 LISA 天文臺,這是一項研究引力波的多航天器任務,預計將於 2034 年發射。在任務概念中,LISA 由三個航天器組成,呈三角形,跨越數百萬公里。編隊每個臂上的航天器中的測試質量將透過鐳射連線在一起,以檢測經過的引力波。

引力輻射是一個世紀前由阿爾伯特愛因斯坦的廣義相對論預測的。諸如合併黑洞之類的巨大加速物體會產生能量波,在空間和時間的結構中產生漣漪。這些波存在的間接證據出現在 1978 年,當時在一對繞軌道執行的中子星運動中觀察到的細微變化表明,能量離開系統的數量與引力波帶走的能量的預測相匹配。

2015 年 9 月,這些波首先被美國國家科學基金會的地面鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)直接探測到。這個訊號來自兩個距離我們大約 13 億光年的恆星質量黑洞的合併。此後,其他黑洞合併的類似訊號也被檢測到。

地震、熱和其他噪聲源將 LIGO 限制為每秒 100 個週期(赫茲)左右的高頻引力波。但是從更強大的事件中尋找訊號,例如碰撞星系中超大質量黑洞的合併,需要能夠檢測到遠低於 1 赫茲的頻率,這種靈敏度水平只能從太空中實現。

LISA 由三個航天器組成,它們相距 160 萬英里(250 萬公里),呈三角形排列,沿著地球繞太陽執行。每個航天器都攜帶測試質量,這些測試質量以這樣的方式被遮蔽,它們響應的唯一力是重力。鐳射測量所有三個航天器中測試質量的距離。每個兩個航天器臂的長度的微小變化標誌著引力波透過地層。

例如,LISA 將對超大質量黑洞合併產生的引力波敏感,每個黑洞的質量是太陽的數百萬或更多倍。它還將能夠探測到包含中子星或黑洞的雙星系統發出的引力波,從而導致它們的軌道縮小。LISA 可能會探測到宇宙最早時刻產生的引力波背景。

幾十年來,NASA 一直致力於開發 LISA 所需的許多技術,包括測量、微推進和控制系統,以及對資料分析技術開發的支援。

例如,美國和德國合作更換計劃於今年晚些時候發射的老化的GRACE衛星的GRACE 後續任務將攜帶鐳射測量系統,該系統繼承了最初為 LISA 開發的一些技術。該任務的鐳射測距干涉儀將以前所未有的精度跟蹤兩顆衛星之間的距離變化,首次在太空中展示該技術。

2016 年,ESA 的 LISA 探路者成功展示了構建 LISA 所需的關鍵技術。LISA 的三個航天器中的每一個都必須在不干擾測試質量的情況下輕輕地繞著它們飛行,這一過程稱為無阻力飛行。在最初兩個月的執行中,LISA 探路者以比其任務要求高約五倍的精度證明了這一過程,後來達到了完整的多航天器天文臺所需的靈敏度。美國研究人員多年來一直在 LISA 探路者的各個方面進行合作,該任務進行了一項由 NASA 提供的名為ST7 減擾系統的實驗,該系統由位於加利福尼亞州帕薩迪納市的 NASA 噴氣推進實驗室管理。

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