雷射干涉空間天線

雷射干涉空間天線（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）是一個由美國國家航空航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的引力波探測計畫，現仍在設計階段，計畫於2015年投入運行，這將是人類第一座太空中的引力波天文台。但2011-04-26，NASA和ESA官員稱，美歐擬於2015年發射的“雷射干涉測量空間天線”（LISA）空間引力波聯合探測任務已被正式取消，原因是NASA經費吃緊，難以提供所需出資。

基本介紹

• 中文名：雷射干涉空間天線
• 外文名：Laser Interferometer Space Antenna
• 性質：人類第一座太空中的引力波天文台

意義

雷射干涉空間天線（LaserInterferometerSpaceAntenna，LISA）是一個由美國國家航空航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的引力波探測計畫，目前仍在設計階段，計畫於2015年投入運行，這將是人類第一座太空中的引力波天文台。

LISA也是美國國家航空航天局的“超越愛因斯坦”（Beyond Einstein program）項目的一部分。“超越愛因斯坦”是一組實驗上驗證愛因斯坦廣義相對論理論的計畫，其中包含兩個空間天文台（HTXS——X射線天文台和LISA）和數個以宇宙學相關觀測為目的的探測器。LISA將利用雷射干涉的方法精確測量信號相位，從而對於來自宇宙間遙遠的引力波源的低頻且微弱的引力

波進行探測。這將對引力波天文學的理論和實驗研究，廣義相對論的一些實驗觀測以及早期宇宙的天體物理學和宇宙學研究有重要意義。

工作布局

LISA由三個相同的太空飛行器構成為一個邊長為五百萬千米的等邊三角形，即每兩個太空飛行器之間的夾角為60°。LISA將採用的是與地球相同的日心軌道，並且LISA與太陽的連線，和地球與太陽的連線之間的夾角為20°，這種設計是為了儘可能減少地球引力造成的影響。

在每一個太空飛行器上都有兩個完全相同的光學台，包含有雷射光源、光學分束器、光檢測器、光學鏡組等組成干涉儀的光學器件，以及一系列進行數位訊號處理的電子器件。由於每兩個太空飛行器之間的夾角為60°，每個太空飛行器上的每一個光學台都會和相鄰的太空飛行器上的光學台發生干涉，雷射走完這段太空飛行器間隔的距離需要約16秒。

LISA構造示意圖，右上代表引力波源

在每個干涉儀的後面安置有一個作為“測試質量”的合金立方體（75%金和25%鉑），其中一個表面被打磨成光滑的平面鏡用來反射雷射。理論上如果有引力波掃過測試質量，其位置的微小改變會引起干涉信號，即雷射相位的改變，從這種相位變化即可推導出觀測到的引力波的存在。

在實際設計中，這種測量精度要求測試質量所處的環境高度穩定，其位置能夠不受到外界光壓和太陽風粒子的影響；並且LISA的干涉測量系統也要高度靈敏，使得真正需要的引力波信號不至於淹沒在雷射頻率噪聲等干擾的海洋中。

除此之外，LISA還需要解決如何應對太空飛行器運行對雷射頻率造成的都卜勒效應的影響，雷射長距離傳輸的損耗問題，等等。LISA在實際運行中將達到能夠在五百萬千米的長度上探測到10皮米（1皮米等於10米）量級的長度變化。

探測結果

引力波

1915年愛因斯坦建立了廣義相對論理論，廣義相對論在理論上證明，平直時空的度規在微擾下套用愛因斯坦場方程可導出時空微擾的度規以四維波的形式傳播。並且對一個具有四極矩的能量-動量張量套用愛因斯坦場方程將得到推遲勢的格林函式解，這和電磁學中的電磁波解是類似的。

這些推導都從根本上預言了引力波的存在，這與十九世紀麥克斯韋套用他的麥克斯韋方程組預言電磁波的存在十分相似。

廣義相對論

但與之不同的是，從電磁理論建立到赫茲從實驗上觀測到電磁波只間隔了不到三十年的時間，而引力波從廣義相對論建立以來從未在實驗上被直接觀測到，很重要的原因是與電磁相互作用相比引力相互作用強度十分微弱，而能產生較強的引力波的引力波源距地球都十分遙遠，傳播到地球的應力強度大約只有10這個量級左右，這相當於在一百千米的長度上引起0.01皮米長度的變化，這種變化比原子核的直徑還要小。

PSR 1913+16

1975年普林斯頓大學的拉塞爾·赫斯（Russel Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）發現了一顆編號為PSR 1913+16的脈衝星，這是一顆高速旋轉並放出方向性很強的無線電波的中子星。

每當無線電信號掃過地球時，接收機上就能接收到一個脈衝信號，脈衝星的這種特性可以用作天文學上的一種“量天尺”，用於精確測量其運動狀態。經過對PSR 1913+16的一段時間的測量之後，人們發現它具有一個雙星系統的軌道，其伴星可能是一顆不輻射無線電波的中子星。

同時，這個伴星的質量以及雙星系統的軌道參數也可以大概推算出來。同樣，根據廣義相對論理論，可以從中子星質量和軌道參數估算這個雙星系統的引力波輻射的光度，這些輻射以能量的形式損耗，反映到系統運動軌道參量的變化。

拉塞爾·赫斯和約瑟夫·泰勒對這個雙星系統的軌道在1975年至1988年間進行了長時間的觀測，其結果和廣義相對論的預言符合得非常好，這個事實間接上證明了雙星系統引力輻射的存在。拉塞爾·赫斯和約瑟夫·泰勒因此項工作於1993年獲諾貝爾物理學獎，這是廣義相對論的勝利。

引力波探測器

儘管對雙星系統的觀測證明了引力波的存在，但人類始終沒有直接觀測到引力波到底是什麼樣，即如何用一個應力（或度規）的時間序列去描述。從二十世紀六十年代以來人類不斷致力於引力波探測器的製造工作，起初的引力波探測器採用共振質量的方法但至今未獲成功。現主流的引力波探測器都是基於邁克耳孫干涉儀的方法，利用雷射的穩定性來獲得高度靈敏穩定的干涉條件，從而達到對極度微小的引力波擾動實現觀測的目的，這樣的探測器包括德國的GEO 600，美國的LIGO（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，意為雷射干涉引力波天文台），日本的TAMA，義大利的VIRGO，澳大利亞的AIGO等。

引力波探測器

重要性

LISA探測的引力波波段範圍為3×10赫茲至10赫茲，在這個波段範圍內，當前基於地面觀測的引力波天文台，例如美國的LIGO等探測器很大程度上受到地球上震動噪聲的影響，很難達到所需要的探測靈敏度（地面引力波探測器由於干涉儀的臂長受限，無法達到能夠探測低頻引力波的精度），因此將LISA置於太空中的原因即是能徹底消除地面震動噪聲的干擾。

引力波源包括：銀河系內的雙星系統，以及河外星系中的極端質量比例旋（EMRI，指兩個質量相差懸殊的天體組成的自旋系統）和超大質量黑洞的合併。LISA如能夠探測到這三類引力波源，其在3×10赫茲頻率上可探測的應力靈敏度將達到10/√Hz。LISA也被寄希望於探測到大爆炸後早期宇宙的引力隨機背景（stochastic background）輻射，儘管這種引力波源還沒有被證實。

探測器的發射

歐洲成功發射“雷射干涉儀空間天線探路者”探測器

歐洲航天局(ESA)的"雷射干涉儀空間天線探路者"(LISA Pathfinder,以下簡稱"探路者")探測器由"織女星"(Vega)運載火箭發射升空,該探測器將測試空間引力波探測所需的技術。其中一項重要的預言就是存在引力波。引力波是物質運動或物質體系的質量分布發生變化時產生的一種。

軌道設計

雷射干涉儀空間天線航天計畫的軌道設計

歐洲太空局和美國航天局合作用於探測從0．1mHz到1Hz低頻引力波的航天項目，引力波的探測將通過在空間中的3個探測器之間使用雷射干涉儀的高精度測距來實現．3個探測器計畫於2018年前後發射，並於一年後進入引力波探測實驗的繞日軌道．為了引力波探測的成功，保持3個探測器所組成星座的高度穩定性是至關重要的．我們在以前2015年實驗軌道最佳化設計的基礎上，選取2019年3月1日為起始曆元做了實驗軌道的最佳化設計，介紹了任意起始時刻下確定軌道最佳化起始點的規則和軌道最佳化的算法；並給出了從地球停泊軌道進入引力波探測實驗軌道的發射段和分離段的軌道設計，討論了所需飛行時間與發射能量之間的關係，給出了設計實例．