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LISA結(jié)構(gòu)

LISA 工作布局

LISA由三個(gè)相同的航天器構(gòu)成為一個(gè)邊長(zhǎng)為五百萬(wàn)千米的等邊三角形，即每?jī)蓚€(gè)航天器之間的夾角為60°。LISA將采用的是與地球相同的日心軌道，并且LISA與太陽(yáng)的連線，和地球與太陽(yáng)的連線之間的夾角為20°，這種設(shè)計(jì)是為了盡可能減少地球引力造成的影響。在每一個(gè)航天器上都有兩個(gè)完全相同的光學(xué)臺(tái)，包含有激光光源、光學(xué)分束器、光檢測(cè)器、光學(xué)鏡組等組成干涉儀的光學(xué)器件，以及一系列進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的電子器件。由于每?jī)蓚€(gè)航天器之間的夾角為60°，每個(gè)航天器上的每一個(gè)光學(xué)臺(tái)都會(huì)和相鄰的航天器上的光學(xué)臺(tái)發(fā)生干涉，激光走完這段航天器間隔的距離需要約16秒。在每個(gè)干涉儀的后面安置有一個(gè)作為“測(cè)試質(zhì)量”的合金立方體（75%金和25%鉑），其中一個(gè)表面被打磨成光滑的平面鏡用來(lái)反射激光。理論上如果有引力波掃過(guò)測(cè)試質(zhì)量，其位置的微小改變會(huì)引起干涉信號(hào)，即激光相位的改變，從這種相位變化即可推導(dǎo)出觀測(cè)到的引力波的存在。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，這種測(cè)量精度要求測(cè)試質(zhì)量所處的環(huán)境高度穩(wěn)定，其位置能夠不受到外界光壓和太陽(yáng)風(fēng)粒子的影響；并且LISA的干涉測(cè)量系統(tǒng)也要高度靈敏，使得真正需要的引力波信號(hào)不至于淹沒(méi)在激光頻率噪聲等干擾的海洋中。除此之外，LISA還需要解決如何應(yīng)對(duì)航天器運(yùn)行對(duì)激光頻率造成的多普勒效應(yīng)的影響，激光長(zhǎng)距離傳輸?shù)膿p耗問(wèn)題，等等。LISA在實(shí)際運(yùn)行中將達(dá)到能夠在五百萬(wàn)千米的長(zhǎng)度上探測(cè)到10皮米（1皮米等于10 米）量級(jí)的長(zhǎng)度變化 。

LISA探測(cè)的引力波源

引力波

廣義相對(duì)論

1915年愛(ài)因斯坦建立了廣義相對(duì)論理論，廣義相對(duì)論在理論上證明，平直時(shí)空的度規(guī)在微擾下應(yīng)用愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程可導(dǎo)出時(shí)空微擾的度規(guī)以四維波的形式傳播。并且對(duì)一個(gè)具有四極矩的能量-動(dòng)量張量應(yīng)用愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程將得到推遲勢(shì)的格林函數(shù)解，這和電磁學(xué)中的電磁波解是類似的 。這些推導(dǎo)都從根本上預(yù)言了引力波的存在，這與十九世紀(jì)麥克斯韋應(yīng)用他的麥克斯韋方程組預(yù)言電磁波的存在十分相似。但與之不同的是，從電磁理論建立到赫茲從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到電磁波只間隔了不到三十年的時(shí)間，而引力波從廣義相對(duì)論建立以來(lái)直到2015年才被直接觀測(cè)到，很重要的原因是與電磁相互作用相比引力相互作用強(qiáng)度十分微弱，而能產(chǎn)生較強(qiáng)的引力波的引力波源距地球都十分遙遠(yuǎn)，傳播到地球的應(yīng)力強(qiáng)度大約只有10 這個(gè)量級(jí)左右，這相當(dāng)于在一百千米的長(zhǎng)度上引起0.01皮米長(zhǎng)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(xué)的拉塞爾·赫爾斯（Russel Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）發(fā)現(xiàn)了一顆編號(hào)為PSR 1913+16的脈沖星，這是一顆高速旋轉(zhuǎn)并放出方向性很強(qiáng)的無(wú)線電波的中子星。每當(dāng)無(wú)線電信號(hào)掃過(guò)地球時(shí)，接收機(jī)上就能接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖星的這種特性可以用作天文學(xué)上的一種“量天尺”，用于精確測(cè)量其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)對(duì)PSR 1913+16的一段時(shí)間的測(cè)量之后，人們發(fā)現(xiàn)它具有一個(gè)雙星系統(tǒng)的軌道，其伴星可能是一顆不輻射無(wú)線電波的中子星。同時(shí)，這個(gè)伴星的質(zhì)量以及雙星系統(tǒng)的軌道參數(shù)也可以大概推算出來(lái)。同樣，根據(jù)廣義相對(duì)論理論，可以從中子星質(zhì)量和軌道參數(shù)估算這個(gè)雙星系統(tǒng)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(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌道參量的變化。拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒對(duì)這個(gè)雙星系統(tǒng)的軌道在1975年至1988年間進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，其結(jié)果和廣義相對(duì)論的預(yù)言符合得非常好，這個(gè)事實(shí)間接上證明了雙星系統(tǒng)引力輻射的存在。拉塞爾·赫斯和約瑟夫·泰勒因此項(xiàng)工作于1993年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是廣義相對(duì)論的勝利 。

引力波探測(cè)器

盡管對(duì)雙星系統(tǒng)的觀測(cè)證明了引力波的存在，但人類始終沒(méi)有直接觀測(cè)到引力波到底是什么樣，即如何用一個(gè)應(yīng)力（或度規(guī)）的時(shí)間序列去描述。從二十世紀(jì)六十年代以來(lái)人類不斷致力于引力波探測(cè)器的制造工作，起初的引力波探測(cè)器采用共振質(zhì)量的方法但至今未獲成功。 目前主流的引力波探測(cè)器都是基于邁克耳孫干涉儀的方法，利用激光的穩(wěn)定性來(lái)獲得高度靈敏穩(wěn)定的干涉條件，從而達(dá)到對(duì)極度微小的引力波擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)的目的，這樣的探測(cè)器包括德國(guó)的 GEO600 （ 英語(yǔ) ： GEO600 ） ，美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO，Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory），日本的 TAMA 300 （ 英語(yǔ) ： TAMA 300 ） ，意大利的處女座干涉儀（VIRGO），澳大利亞的AIGO等 。

為什么需要LISA

LISA探測(cè)的引力波波段范圍為3×10 赫茲至10 赫茲，在這個(gè)波段范圍內(nèi)，當(dāng)前基于地面觀測(cè)的引力波天文臺(tái)，例如美國(guó)的LIGO等探測(cè)器很大程度上受到地球上震動(dòng)噪聲的影響，很難達(dá)到所需要的探測(cè)靈敏度（地面引力波探測(cè)器由于干涉儀的臂長(zhǎng)受限，無(wú)法達(dá)到能夠探測(cè)低頻引力波的精度）， 因此將LISA置于空間中的原因即是能徹底消除地面震動(dòng)噪聲的干擾?，F(xiàn)在已知的引力波源包括：銀河系內(nèi)的雙星系統(tǒng)，以及河外星系中的極端質(zhì)量比例旋（EMRI，指兩個(gè)質(zhì)量相差懸殊的天體組成的自旋系統(tǒng)）和超大質(zhì)量黑洞的合并。 LISA如能夠探測(cè)到這三類引力波源，其在3×10 赫茲頻率上可探測(cè)的應(yīng)力靈敏度將達(dá)到10 /√Hz。LISA也被寄希望于探測(cè)到大爆炸后早期宇宙的引力隨機(jī)背景（stochastic background）輻射，盡管這種引力波源還沒(méi)有被證實(shí)。

參閱

激光干涉空間天線開(kāi)路者號(hào)

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