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第8章 未来建在太空中的引力波观测台的探测臂长

爱因斯坦曾预言,宇宙中存在引力波。

从20世纪60年代起,科学家们便一直尝试发展各种引力波探测技术,努力研制更加灵敏的探测仪器。数年前,美国、德国、日本以及法国与意大利等国的科学家们在世界各地先后建造了5座大型引力波观测台。这些仪器都采用迈克尔逊激光干涉原理,探测臂由两个成90度垂直交叉的长长的真空管臂组成,臂长从4km到300m不等,探测精度可达到10-19m,相当于观测到一个氢原子大小的亿分之一。但由于地球表面充满各种如地震、刮风、汽车和火车驶过时发出的振动等干扰,这些观测仪迄今也未得到任何有关引力波存在的证据。

究竟是爱因斯坦错了,宇宙中根本就没有引力波这种东西,还是由于它实在过于微弱,以现有的技术手段难以探测到?目前科学界对此争论很大。因为引力波不同于我们所知道的物质世界中的其他任何一种波,它来无踪去无影,即使距离我们较近的银河系中发生的超新星爆发、黑洞合并、中子星碰撞等最剧烈的天文事件,其能量足以冲击附近的恒星,但宇宙实在太辽阔了,当引力波传播到地球上时,已微弱得只能震动一个电子!其探测难度可想而知。

为了避开地球表面的振动干扰,科学家们提出了将引力波观测台建在太空中的设想。这样做还有一个好处,那就是由于一些引力波的频率很低,波长达数十万甚至上百万千米,在地球上根本不可能建造这么大的测量仪器。

目前,欧洲航天局与美国航空航天局的科学家正在联合设计制造一个不久后将安置在太空中的引力波观测台,其全称为“激光干涉太空天线”,简称LISA,计划在2011年发射升空。这座引力波观测台包括3个携带有激光干涉测量仪的太空飞行器,每个飞行器里面都有一个光学望远镜和一个激光发射与光电接收装置,以及一个被称为“检验物质”的立方金属块。在太空的失重环境中,小金属块各自悬浮在飞行器中的真空室内,体积不受温度变化的影响,只有在受到引力波作用时才发生微小的伸缩变化。这种变化可以通过激光干涉方法加以精确测量。

这3个太空飞行器升空后彼此间相距500万km,相当于地月之间距离的10倍以上。飞行器上装有最新型的微小推力火箭,用于修正由于太阳风和太阳辐射压力造成的微小轨道变化,使定位精度保持在一亿分之一米以内。干涉测量仪相互发射的激光构成一个等边三角形,成为探测臂长达500万km的太空引力波探测台,预计有望能够探测到来自银河系的极微弱的引力波。

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