太空探索/LISA 聆聽重力波的小耳朵已準備妥當

美國航太總署(NASA)噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)科學家和工程師們,成功測試一套未來將搭載在雷射干涉儀太空天線(Laser Interferometer Space Antenna,LISA)任務上的雷射系統,結果顯示這套系統的雜訊已經降到極低的程度,足以讓LISA發射升空之後,能直接接收到來自天體重力波所造 成的聲波。

重力波(gravitational waves)是愛因斯坦相對論預測天體所引起的時空波動;但因這類訊號十分微弱,因此至今尚未直接偵測到過。歐洲太空總署(ESA)和JPL團隊合作的 LISA任務,主要目的之一就是直接偵測重力波,LISA任務預計在2020年以後發射升空。由於雷射的雜訊大於可測量的重力波強度,因此科學家和工程人 員必須小心地移除雜訊,只留下清晰的重力波訊號。

這件事的困難度,就像是要在暴雨中聆聽羽毛落地的聲音,或是在乾草堆中發現一顆單獨的質子一樣。JPL團隊過去6年一直在致力於改善LISA儀器 的精密度,包括相位計(phase meters),即非常靈敏的雷射光束偵測器等。現在他們終於達成目標,將相位計的雷射雜訊降低到原本的10億分之一,終於足以偵測到重力波的訊號。

重力波研究起源於1974年,當時研究人員發現一對波霎雙星(pulsar binary),因不知名的原因損失能量,使彼此愈繞愈近;後來科學家們才瞭解,損失的能量轉換成重力波而向外發散。這是首度間接證明重力波存在的研究, 使這些科學家贏得1993年的諾貝爾物理獎。

LISA任務將由3架太空船組成一個巨大的三角形,彼此相距約500萬公里,以雷射光束相互聯繫。它們位在落後地球約20度的位置環繞太陽運轉, 每架太空船上有由鉑和金製作的立方體,可自由懸浮在太空中。當重力波通過太空船時,會造成這些立方體上下擺動,使彼此間的距離改變,改變量僅相當於1皮米 (picometer,或稱微微米);換言之,太空船相距50億公尺,重力波所引起的距離改變僅有0.000000000005公尺。

相位計接收到的雷射光會傳送到地面接收站,在此經歷所謂的「干涉」過程。如果干涉型態一直沒有改變,表示太空船彼此間的距離不曾改變;反之,如果干涉型態有變化,表示太空船彼此間的距離改變。一旦確定其他可能造成太空船位置改變得因素都排除後,那麼就表示偵測到重力波了。

事實上,上述只是基本概念,造成太空船位置移動的原因非常複雜,不只重力波一項。例如,太空船會自然移動;或是雷射光本身有雜訊,那怎知太空船移 動是因為重力波,還是因為雷射雜訊使太空船看來好像移動了?雖然重力波引起的距離改變量極為微小,而且還有這麼多複雜的因素,但在JPL團隊的努力之下, 目前相位計已能去除這些不確定因素,能偵測並確認重力波引起的微小變化。

LISA任務不僅預期可「聽到」重力波,而且可研究重力波的來源天體,即像黑洞或已步入死亡之境的大質量恆星等,當這些天體有加速度時,便會造成 時間與空間的擾動,從而發出重力波。如果LISA任務的儀器調整得當,則不僅可偵測到我們銀河系中的大質量天體所發出的重力波,甚至可偵測到來自遙遠星系 的重力波,讓科學家有機會獲得完整而全新的宇宙之音。(文/引用自臺北天文館之網路天文館網站)

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