聆听五音俱全的引力波宇宙 | ③空间引力波探测

　　大家好，我是国家天文台的陆由俊。今天我们接着谈引力波，空间引力波探测。

　　想要听更低频的“声音”，光靠地面上的“耳朵”是远远不够的，于是人们想到把激光干涉仪发到天上去，天上的噪声会更少一些，尺度也可以做的更大。

图：LISA艺术想象图（Credit:LISA-Wikipedia）

　　计划中的天基引力波探测器主要有欧空局主导的激光干涉空间天线(LISA)，日本的分赫兹干涉引力波天文台(DECIGO、B-DECIGO)，欧洲的大爆炸观测者(Big Bang Observer; BBO)和先进激光干涉天线(ALIA)以及中国的“太极”计划和“天琴”计划等等。

　　其中，先进激光干涉天线ALIA、分赫兹干涉引力波天文台DECIGO（B-DECIGO)、大爆炸观测者BBO的臂长较短，探测的频率范围大约可以覆盖到0.1-10Hz的中频波段，能填补激光干涉空间天线LISA与LIGO敏感频段之间的间隙，其余探测器的灵敏波段与LISA类似，主要为万分之一到1Hz的低频波段。

　　天基干涉仪的结构都基本类似，它们一般由三颗卫星组成一个稳定的等边三角形编队沿着测地线轨道飞行，三颗卫星两两之间都会向对方发射并接收对方发射过来的激光，然后它们之间相互干涉，组成一架三角形的干涉仪。不同的探测器的飞行的轨道与干涉仪的边长会有所不同。当引力波经过干涉仪时，干涉仪的臂长发生变化，干涉仪能精确地测量出这一变化，据此可以探测到引力波。

　　这些探测器除“天琴”外，都运行在与地球类似的太阳轨道上。“太极”的边长最长，是300万公里，LISA的边长是250万公里，ALIA的边长是50万公里，BBO的边长是5万公里，DECIGO的边长则只有1000公里。“天琴”的卫星运行在10万公里高的地球轨道上，边长约17万公里。

　　LISA探路者实验于2015年发射并获得了极大的成功。中国的“太极”计划的“太极一号”卫星于2019年8月发射升空，成功地验证了多项空间引力波探测相关技术。“天琴”计划的“天琴一号”卫星于2019年年底成功发射。这些先期验证实验的成功大大地增进了大家对空间引力波探测计划的信心。

　　天基引力波探测器可以探测恒星级质量的致密双星（包括黑洞、中子星、白矮星以及它们的两两组合）的旋近，双白矮星的并合，超大质量双黑洞的并合，极端质量比旋进(通常是一个恒星级致密天体绕着一个超大质量黑洞的旋进），宇宙中可能存在的中等质量双黑洞以及前面这些源的信号叠加形成的引力波背景。

　　由于天基引力波探测器在致密双星并合之前很早的旋近阶段，就可以探测到它们。结合多个波段的引力波探测，有望对致密双星并合信号进行提前预警，预测它们会在何时并合，从而让地基的探测器以及电磁波的望远镜可以提前做好准备，有目标地探测。同时结合多波段、多信使观测，使得我们能获知天体更全面的信息。

　　超大质量双黑洞并合的探测可以帮助我们理解它们的形成演化以及它们与星系演化之间的协同关系；极端质量比旋进旋转的周期数多，可以帮助精确测量黑洞的度规、检验黑洞的理论、验证广义相对论和甄别替代的引力理论，甚至是发现超越广义相对论的时空引力理论等等。

　　今天我们就聊到这里。下一期，我们为大家带来脉冲星计时阵方面的引力波探测内容。

　　主讲人简介：陆由俊，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学岗位教授，主要研究领域为理论天体物理，包括黑洞物理、引力波天体物理、活动星系核和类星体等。