听天文| 宇宙飞船才是探测引力波的王者!

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作者:Paul Sutter

翻译:张宇辰

校对:王婧彧 王茸 张砚斌 杨伯顺

审阅:牧夫校对组

后台:库特莉亚夫卡 李子琦 徐⑨坤 胡永葳

现在我们大家都知道,太阳系八颗行星中,天王星和海王星距离太阳最为遥远(www.gpw.net.cn)。到今天为止,它俩仅仅只被一个航天器--旅行者2号飞船造访过。貌似它俩真的不是人类科学家的宠儿呦!

(图片来源:NASA/JPL-Caltech)

可怜的天王星和海王星!它们都是孤独的冰宝贝。

我们所拥有的关于它们外观的唯一特写照片,是来自于旅行者2号宇宙飞船。这艘飞船曾在20世纪80年代末的“大巡游”中,掠过这些小行星。从那次“大巡游”之后,我们向水星发射了探测器,向木星和土星发射了探测器(包括在土星的卫星——土卫六上着陆),收集了小行星和彗星的样本,并向火星发射了一辆又一辆巡游车。但是,敲黑板、注意了,我们却偏偏没有向天王星或海王星发射任何东西!这怪谁呢?它们俩的主要组成物质是水和氨冰,被称为“冰巨人”星球,又冷、离我们又远,它们就只能孤零零地躺在太阳系大家庭的外围,远离人间了。

而在太阳系中,没有哪个星球和它们完全一样,人类对它们的研究无从下手。整整一代的行星科学家们,就只能可怜巴巴地通过“由地面望远镜和哈勃太空望远镜捕获到的惊鸿一瞥”来研究它们。

假如,有那样一个飞行任务,在宇宙飞船前往天王星和海王星的途中,可以顺便研究一波儿宇宙中一些最剧烈事件所引发的引力波,那将会是什么样的大场面呢?

现在,望眼欲穿的行星科学家们,迫切需要一个新型的航天器,满载人类的好奇心,飞越茫茫太空,去一探天王星和海王星的究竟。因为,自从20世纪80年代末的旅行者号飞行任务之后,就再也没有谁去造访过这些冰巨星了。有一些脑洞大开的科学家在一项新的分析中说:通过这种新型航天器,不仅仅能发掘出一大堆有关这些太阳系兄弟姐妹的信息宝藏,同时,它还可以窥视到宇宙的更深处。

简而言之就是,通过仔细监测航天器发回来的无线电信号的变化,天文学家们可能会看到,宇宙中发生的一些最剧烈事件所引起的引力波动,从而窥视宇宙中曾发生了些什么。当然,人类需要有来自一个或多个这样的航天器的无线电信号。

即便是当海王星在离地球最近的时候,它也离我们有27亿英里那么远(43亿公里)。有些延误已经超出了我们的控制范围。鞭长莫及,这么遥远的太空距离,使得往那里发射有效载荷非常困难。

但是,一个好机会很快就要来啦!科学家发现,在某个时间窗口期中,我们太阳系中最大、最美丽的木星,恰恰正好处于一个有利于助推的位置,它能提供航天器急需的加速引力辅助,并缩短到外部系统的旅行时间。这个消息真是喜大普奔呀!

如果我们在21世纪30年代早期,利用美国宇航局的太空发射系统以及未来的某种高级发射系统,安排发射一枚足够强大的火箭,那么这个航天器就可以被大大地加速,并在不到两年的时间内到达木星。

从那里,一个航天器可以分为两部分,一部分飞往天王星,并于2042年到达;另一部分飞往海王星,不过要比天王星探测器晚几年到达。如果运气好的话,一旦它俩就位,这些轨道飞行器可以像著名的卡西尼号在土星执行的任务一样,维持运行超过10年。

而且,福利还不止这一点呦!最近的一篇科学论文里,详细地论述了另一种可能:在宇宙飞船飞往那些冰冷星球的漫长航程中,还可以完成另一项高级任务,即探测引力波。关于引力波,它是观测宇宙的一扇新窗户,原初引力波忠实地记录了暴涨时期的物理过程。

在飞船的整个飞行过程中,地面上的科学家和技术人员,必须不断地与航天器进行通信,去更新轨道、检查状态。相反,宇宙飞船会不断地向地球发回无线电信息。

艺术家对引力波的描绘。

(图片来源:R. Hurt/Caltech-JPL)

光波会沿着一条非常长的路径来回反射。听起来熟悉吗?在地球上,物理学家将激光束沿着数英里长的轨道反射,来测量通过它们的引力波。当这些波,也就是时空结构本身的波纹,穿过地球时,它们会扭曲物体,以交替的方式压缩和拉伸物体。在探测器内部,这些波微妙地改变了两个相距很远的镜子之间的长度,对引力波观测站中光的路径产生了微小的影响(通常小于一个原子的宽度)。

那么同样的道理,对于从遥远的太空返回地球的无线电通信来说,效果是相似的。如果一个引力波穿过太阳系,它会以一种有规律的方式改变地球到航天器的距离,导致探测器离我们稍微近一点,然后离我们远一点,然后再近一点……这样,探测器就相当于变成了引力波观测装置。

怎么样?道理就变得简单了吧! 如果宇宙飞船在整个巡航过程中,都一直在不间断地发送信号,那么我们在地球上,就会看到它的无线电通信频率,出现多普勒频移。如果有两个这样的航天器同时运行,天文学家就可以对这种变化进行更清晰的观察。换句话说,这些遥远的太空探测器,就可以充当世界上最大的引力波观测站,发挥双重作用。

想象很美妙,现实很骨感。要想达到这个目的,我们目前最大的技术障碍是:如何达到令人难以置信的高精度测量到航天器无线电通信频率的能力。根据最近的研究,我们这种测量的能力,必须至少是卡西尼号土星任务的100倍。

这听起来很难。但是,卡西尼号的设计到现在已有几十年的时间,我们不能以老眼光看待当下,这些年我们一直在不断地改进我们的通讯技术。

目前,物理学家们正在设计自己的太空引力波探测器,比如空间激光干涉仪(LISA)。为了未来科学的发展,人类无论如何都需要类似的技术。正如前面所言,由于距离“冰巨人”任务还有近10年的时间,我们可以投入更多的资源来开发必要的技术。如果哪一天我们梦想成真,能突破这个水平的灵敏度,那么这个巨型的引力波探测器,以其“探测手臂”的极端长度,就可以揭示宇宙中的各种极端事件。它的长度比我们现在的探测器长数十亿倍,可以使这个“冰巨星天文台”探测到一些截然不同的领域的事件,远比我们今天所能观察到的还要多得多。再爆个瓜:根据研究,在这样一个任务的周期内,这样巨型的探测器可能会探测到几十个质量差异极大的黑洞合并,以及至少一个超大质量黑洞合并,厉害吧?而这些宇宙大事件,我们目前根本没有观察到,也不能用现有的引力波探测器观察到。

哦,对了,别忘了,探测器还帮我们了解探测了天王星和海王星。一箭双雕!

原文链接:

https://www.space.com/ice-giant-missions-could-catch-gravitational-waves

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版面编排:琇 茹

责任编辑:杨伯顺

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当霍金大神去天国……

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