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空间引力波探测: 在太空中捕捉引力波“音符”

发布时间:2017-12-03 阅读:

  空间引力波探测:空间中的引力波捕捉“笔记” - 新闻 - 科学网

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  不同频率的引力波探测方法

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  几天前,在天文学圈上放映了一个关于空间重力波探测的信息。

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  根据欧洲空间局(ESA)的官方网站,其子科学项目委员会在6月20日的会议上一致决定,检测引力波的LISA应正式确定为欧空局三大空间任务(L3)。按照时间表,LISA将在2034年开始检测天空的引力波。

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  实际上,除了LISA之外,我国还计划在太空开展重力波探测。那么相对于基于地面的重力波探测,空间探索引力波有什么不同?当这些空间探测站投入使用时,地基引力波探测将起什么作用?科技日报记者采访了行业专家。

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  LISA任务的曲折和转折

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  由于爱因斯坦预言了引力波的存在,众多的科学家和科研机构纷纷研究和观测引力波,试图通过各种科学实验来捕捉引力波。

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  简而言之,引力波是加速运动中宇宙巨大天体产生的一种特殊的时空涟漪,可以想象成是时空本身的微小起伏。随着引力波的传播,它将拉伸或压缩物体,但是这些变形只是次原子级的,这是一个微妙的亚原子水平的物质。因为小,所以不容易观察。

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  经过三十多年的不懈努力和技术和设备的更新,自从LIGO直接在2015年9月检测到第一例引力波以来,已经发现了三例LIGO干涉仪位于路易斯安那州利文斯顿,位于美国南部海岸,相隔3000英尺,位于美国西北海岸的华盛顿州汉福德。

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  与LIGO不同,LISA是第一个在太空中建造的引力波观测台。三艘相同的航天器形成一个250万米长的等边三角形,沿着同一个地球轨道运行。

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  LISA任务的进展可谓曲折。早在20世纪90年代,NASA和欧洲航天局就计划共同推动LISA的使命。但是,到2011年,美国将因预算问题而退出。欧洲航天局在2013年提出将其列为欧空局科学计划的第三项重大任务,但由于经费拮据,尚未作出决定。

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  据悉,由于LIGO一再检测到引力波,LISA Pathfinder成功发射了第一阶段的科学使命,因此美国航空航天局的意向资助任务的20%被报告给LISA,因此欧空局正式决定将LISA纳入其大量的任务,如果进展顺利的话,LISA将在2034年开始检测天空的引力波。

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  作为空间引力波勘探项目的代表,LISA“为使命概念在空间引力波探测领域提供了一条清晰的路径和平台,并为其他国际空间激光干涉引力波勘探项目的设计提供了参考。中国科学院国家天文台苟立军介绍。

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  不同频率音乐的空间与地面探索

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  既然我们已经在地面上发现了引力波,为什么还要发射探测器来寻找太空呢?

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  苟立军向“科技日报”记者介绍了10-16赫兹至102赫兹以上的引力波检测范围,并用条形图显示了空间干涉仪在10-4赫兹至0赫兹范围内的检测范围。

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  天体的引力波具有很宽的频带,根据其质量和其他特征的变化量, / \\ u0026 gt;从不到几十赫兹到几千赫兹。需要特别说明的是,空间和地面引力波探测项目都采用非常相似的探测方法,即激光干涉,不同之处在于测量频段和目标波源不同。

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  苟立军打来电话。如果引力波被比作音乐,天体会发出高音和低音,然后地面干涉仪会听到高音,空间干涉仪会听到低音。

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  由于地面测试尺度的限制,地面勘探的频率范围限制在10赫兹。探测到的引力波的来源主要包括几十个到几百个太阳质量黑洞的组合系统和部分双中子星组合系统。这些系统的规模相对较小。

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  在太空中,测试标度很容易达到非常大,但是探测器不会受到表面振动,重力梯度等噪声干扰,可以比较容易的在10-5 Hz到0.1 Hz低频引力波。与地面探测相比,空间探测的来源一般都是很大规模的系统,如大规模黑洞的大质量系统或远距离的恒星级黑洞,黑洞的极端质量比系统。

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  地面引力波探测和空间引力波探测基本上是互补关系。两者的结合可以实现对更宽波段引力波的探测和研究。苟立军说。

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  有业内人士指出,虽然2016年LISA探路者的成果已经证明了LISA要求的检测技术是可行的,但是在两个检测设备的实验时间间隔只有38厘米,却让三个检测器相互分离。 250万公里的距离非常稳定,技术上的挑战要大得多,所以预计2034年之前卫星发射不会发生。

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  一种探测低频引力波的新方法

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  除了LIGO代表的地面激光干涉测距和LISA代表的空间激光干涉测距之外,还有其他的技术路线可以检测引力波吗?中国科学院国家天文台研究员平金松最近的一项研究提供了另一种可能性。

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  平劲松介入的一种地面空间高精度微波测距技术联合研究表明,在实现月球空间定位导航定时的同时,有机会以超高精度的探测器进行卫星间距和连续测量速度,支持在空间中检测低频引力波。

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  深空任务监测和导航平台对引力理论的验证通常不是专门为验证引力理论而设计的,而是嵌入卫星工程主要轨道的副产品。检测性价比超高。宋平金科技日报记者介绍道。利用月球探测任务,深空微波测量技术可以检测0.001 0.000002赫兹频带内的引力波。

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  自1970年以来,以美国航天局为代表的深空探测机构一直在努力推广和尝试使用原来用于探测地面站的高精度微波测速仪进行引力波探测。但由于缺乏空间对称探测器差分技术,受地球大气层,电离层,板块运动,潮汐和地震的影响较大。

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  我们提出,在地球 - 月球空间中,借助拉格朗日平移点L4 / L5几何的对称性,可以最大程度地抵消所观测到的速度和距离的差异以及链路干扰信息。平劲松说。

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  假设一个小物体同时受到两个相互旋转的大物体的引力作用。当一个小物体跑到太空中的某个点时,它相对于两个天体是力量平衡和相对静止的,这个点称为两个大天体的拉格朗日平移点。平劲松解释说,在月球轨道上有两个三角形的转换点L4,L5,每个转换点和地线连接可以形成一个等边三角形。引力波传播通常首先到达翻译点之一,然后到达另一个点。当探测器被设置在这两个点时,同时从两个探测器向月球或地面站减去数据,可以最大限度地减少公共测量设备在公共路径上的干扰。平劲松说,我们可以突出观测探针的对称性,以保持干扰信息之间的距离,以便分离低频引力波事件。

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