LISA探路者，铺平引力波空间探测之路

爱相随

　

　　LISA探路者成功地为未来的太空引力波探测铺平了道路。图片来源：ESA

　　未来引力波空间天文台的一个关键组件，出色地通过了一系列考验，正经历着迄今为止其他任何人造物品都未曾体验过的、真正的自由落体。在这个实验装置的核心处，一块两千克重的高纯度金铂合金立方体正在太空中自由飘荡，除引力外几乎完全不受任何其他作用力的影响。

　　欧洲空间局（ESA）的此项任务名为LISA探路者（LISA Pathfinder），是未来的太空激光干涉仪（LISA）的先验项目，旨在从理论上验证，在太空中自由飘荡的一组这样的立方体将能够担当起空间引力波天文台的作用，将有能力检测超大质量黑洞的碰撞及其他地球上不可能探测到的剧烈事件所发出的引力波信号。

　　这块金铂合金立方体被称为“自由落体检验质块”，被安置在如同外壳一般的LISA探路器内部，自2016年2月以来一直环绕着所谓的日地关系第一拉格朗日点（L1）旋转。在L1点，地球和太阳共同施加的引力使得物体能够绕着这一点旋转，就像人造卫星绕着地球旋转一样。

　　

　　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/

　　LISA探路者检验的是一个关键系统，未来会被纳入到构成LISA的3个航天器中。LISA预计于2034年升空，将在地球身后5000万千米的地方沿轨道环绕太阳飞行。每个LISA航天器都将包含两块检验质块，就像LISA探路器内部现在的那块一样。LISA探路者任务取得了非凡的成功，让科学家朝着发射LISA天文台迈出了关键的一步。

　　为了检测引力波，LISA检验质块必须受到严格的防护，隔绝所有可能冲撞它们飞行的因素。就连阳光都会产生微弱的压力，干扰这些质块的运动，足以淹没LISA想要探测的引力波信号。为了验证这样的防护系统，LISA探路器配备了一组推进器，使航天器保持在适当位置，守护在自由落体检验质块的周围。推进器会在必要情况下点火，确保航天器实施必要的移动，使得检验质块能够尽可能不受干扰地沿着自由落体轨迹运行。

　　在未来的LISA天文台上，激光将被用于测量3个航天器中检验质块之间的距离，3个航天器将以三角形编队飞行，三角形的每一边都长约100万千米。检验质块之间距离上的细微变化，将表明有引力波从此处经过。LISA探路器上还有第二个检验质块，与处在自由落体状态的那个质块一起，构成了未来LISA三角形编队一条边的一个微缩模型。两个质块间距只有大约1/3米，对于检测引力波来说太短了，至少差了有上百万倍，不过对于检验最终构成LISA天文台的系统来说，这却是关键的一项考验。LISA探路者实验表明，在LISA天文台将要监测的频率范围之内，两个检验质块之间的相对位移涉及到的加速度小于1/10 femto-g（1 femto-g，相当于地球标准重力加速度g的一千万亿分之一），大大优于LISA天文台的设计精度。