欧洲空间局发射LISA探路者 验证探测“时空涟漪”引力波技术

法国巴黎时间12月3日5时04分（北京时间12时04分），欧洲空间局（或称欧洲航天局、欧空局）用于验证太空引力波观测技术的“LISA探路者”（LISA Pathfinder）探测器由一枚“织女星”运载火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。

12月2日，欧空局发射“LISA探路者”探测器

发射2小时后，“LISA”探路者成功与火箭分离，进入一个椭圆形的临时轨道。欧空局说，“LISA”探路者将在本月中旬利用自身推进系统提供6次点火，将轨道高度提升4.5万公里，再经过为期6周的“太空遨游”，抵达位于太阳和地球连线延长线上的“拉格朗日点”L1，距离地球表面150万公里。

“LISA探路者”任务示意图

“LISA”探路者预计在明年1月下旬抵达日地L1拉格朗日点附近轨道，进入最终运行轨道后，探测器的推进装置将被抛弃。经过欧空局位于德国达姆施塔特的运行中心控制人员的设置和校准，“LISA探路者”的科学探测之旅将于3月正式开始，预计将持续180天。

引力波（gravitational wave）被视为宇宙中的“时空涟漪”，如同石头丢进水里产生的波纹一样。然而此前，科学家们始终未能使用地面观测设备证实它的存在。此次发射的探测器将为人类太空探索打开新的大门，同时也有助于进一步验证广义相对论。

据介绍，“LISA探路者”试验探测器是一颗小型卫星，由欧洲空中客车防务与航天公司建造，造价超过4亿欧元（约合人民币27亿元）。它高3.1米、横截面直径2.4米，质量约1.9吨。

“LISA探路者”内部带有两个质量为2公斤的金铂合金立方体。科学家可通过激光望远镜观测这两个独立放置的物体在运动中的相对位置变化，以证明引力波的存在。

此次发射的试验探测器只是欧空局引力波探测计划的前期任务，用于演示和验证相关技术。

LISA引力波探测器工作示意图。LISA由三个探测器组成。三者之间两两形成相距500万千米的干涉臂。后来又修改了方案，距离缩小到100万千米。

“LISA”探路者号探测器搭载的两个测试质量将被维持在几乎自由落体的运动状态，将以空前的精度对两个测试质量的位置进行测量和控制。为实现此目的，探测器采用了世界上最先进的技术，包括惯性传感器、激光测量系统、无拖曳控制系统和超高分辨率微推系统。除此之外，“LISA探路者”还验证爱因斯坦广义相对论。

“LISA探路者”太空飞行想象图

延伸阅读：

什么是引力波？

引力波是爱因斯坦的广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动。根据爱因斯坦的广义相对论，大质量天体的加速、合并、碰撞等事件可以形成强大的引力波，如同时空中的涟漪。引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”，如同石头丢进水里产生的波纹一样。引力波的形成过程虽然涉及到黑洞、超新星等天体事件，由于引力波与物质的相互作用非常微弱，因此很难被直接探测到，需要更加精密的仪器。

在此之前，科学家们始终未能使用地面观测设备证实它的存在。两位美国科学家因研究双星运动间接证实了引力波的存在，获得了1993年诺贝尔物理学奖。

爱因斯坦预言引力波发生于大质量黑洞事件中，还有中子星、星系碰撞等

什么是LISA？

LISA由三个探测器组成。三者之间两两形成相距500万千米的干涉臂。后来又修改了方案，距离缩小到100万千米。

LISA全称Laser Interferometer Space Antenna，即“激光干涉太空引力波天线”，预计2034年后发射。

“LISA”探路者号探测器太空飞行想像图

在最初的设计中，该天线阵列由三个绕太阳公转的探测器组成。三者之间两两形成相距500万千米的干涉臂，相当于从地球到月亮距离的13倍，一共可以构成3个干涉仪。然后使用1瓦的激光和30厘米的望远镜来测量悬浮在每个探测器中金属立方体之间相对位置的变化。其测量的精度可以达到10皮米（也就是1/10埃，远小于一个原子的大小）。后来又修改了方案，三个探测器之间的距离缩小到100万千米，更名为eLISA。

LISA探路者将被放置在距离地球150万千米的日-地拉格朗日L1点

比探测器更至关重要的是其搭载的设备：6块边长为4.6厘米的金铂立方体，它们各自悬浮在“Y”形仪器舱的每个上臂之中。这些就是LISA的“检验物质”，在时空弯曲和伸缩使它们可以自由的漂移。为了LISA的正常运转，每个2千克重的立方体都必须沿独立的轨道绕太阳转动。探测器会把它们隔离在真空室内，并将使用必要的硬件——激光和小望远镜——来监测它们相对位置的波动。

当它们在太空中运动时，每一个探测器都会监测与另外两个探测器之间相对位置的变化，而不是去测量绝对距离。其目的就是用来探测大质量天体互相绕转时所引发的时空周期性膨胀和收缩。每个探测器的光学系统会制造出每秒钟切换1百万条暗条纹的高速变化干涉图样。时空波动会或多或少的交替加强或者减弱这些干涉图样。通过这些干涉图样的变化，就可以发现引力波。

由于经费和技术方面的原因，eLISA仍然处于研发状态。所以要先发射LISA探路者进行技术验证。

LISA探路者如何验证核心技术？

LISA探路者内部有两个相距38厘米的自由漂浮的金铂立方体，它们处于失重状态，用激光干涉测量之间距离的微小变化。

LISA探路者的作用就是为后续真正能探测到引力波的LISA进行技术验证。基本上，就是把整个100万千米的eLISA基线浓缩到一个人造卫星之内，让两个相距38厘米的自由漂浮的金铂立方体处于失重状态，并用激光干涉测量之间距离的微小变化。所以，它需要飞行到地球与太阳之间的拉格朗日L1点，在那里引力干扰降低到最小。

为什么要到太空探测引力波？

位于美国的两座激光干涉引力波探测器LIGO。

利用激光干涉的方法，在地面上我们可以探测到非常微小的长度变动。如果把探测器的基线延长，一头在地球，一头在太阳，探测器长度发生哪怕一个原子尺度的变化，我们都能够把它探测出来。而这样精度，在地面先进引力波探测器（advanced LIGO）上已经做到了。

然而，由于探测器太过灵敏，稍有风吹草动它都会受到影响。几千米外卡车驶过高速公路，几十千米外的森林里有人砍树，几百千米外海浪拍着沙滩，都会在地面引力波探测器上留下踪迹。由于这些噪声的存在，地面上我们只能探测高频的引力波。要探测低频引力波，就必须远离地球，向太空进发。