飛往冰雪世界，探測(cè)黑洞合并，冰巨星觀(guān)測(cè)站的雙重使命

前往不為人知的星球，瞥進(jìn)更深的宇宙——在冰寒的太陽(yáng)系邊緣探測(cè)引力波

天王星和海王星都只被一個(gè)航天器造訪(fǎng)過(guò)，即旅行者2號(hào)。

(圖片來(lái)源：航空航天局/噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室--加州理工學(xué)院)

如果一項(xiàng)太空任務(wù)在前往我們太陽(yáng)系最不為人知的星球的旅途中，也能順便探究一下由宇宙中一些最劇烈事件引發(fā)的引力波，那會(huì)怎樣呢？

行星科學(xué)家們迫切希望對(duì)天王星和海王星進(jìn)行一次新的探測(cè)，因?yàn)樽詮?980年代晚期的旅行者號(hào)飛過(guò)之后，這些巨大的冰雪世界就再也沒(méi)有被造訪(fǎng)過(guò)了。當(dāng)一艘這樣的宇宙飛船能夠發(fā)掘出有關(guān)這些太陽(yáng)系姊妹們的信息寶藏時(shí)，它同時(shí)還能夠瞥進(jìn)更深的宇宙——在一項(xiàng)最新的分析中，科學(xué)家們說(shuō)：通過(guò)仔細(xì)監(jiān)測(cè)一艘或多艘這樣的宇宙飛船發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電波信號(hào)的變化，天文學(xué)家可能會(huì)看見(jiàn)一些由宇宙中最劇烈事件引起的引力波。

冰，冰孩

可憐的海王星和天王星。這是我們關(guān)于外太空唯一的近距離特寫(xiě)照片，它是來(lái)自旅行者2號(hào)宇宙飛船。在1980年代晚期的大巡游中，旅行者2號(hào)經(jīng)過(guò)了這些行星。從那以后，我們還發(fā)送了探測(cè)器到水星，發(fā)送任務(wù)到木星和土星（包括登陸到土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六），搜集小行星和彗星的樣品，并向火星發(fā)射了一艘又一艘的漫游車(chē).

但是沒(méi)有天王星和海王星。那是我們現(xiàn)在所知為“冰巨星”的世界，因?yàn)樗桶北鲗?dǎo)了其成分。這些星球孤獨(dú)的位于我們天體鄰域的外邊緣。在太陽(yáng)系中，再也沒(méi)有哪個(gè)別的世界與它們相似。整整一代的行星科學(xué)家們只能通過(guò)地面望遠(yuǎn)鏡和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的偶爾一瞥來(lái)研究它們。

其中有些延遲是我們無(wú)法控制的。即使是海王星上距離地球最近的地點(diǎn)，也在27億英里（43億公里）之外。由于海王星和天王星距離地球極遠(yuǎn)，使得發(fā)送載荷到那里是極難而幾乎不可能的。

但是有一個(gè)機(jī)會(huì)正在來(lái)臨。在木星與其排成一列的窗口期，就正好能提供急需的加速引力輔助，以縮短到達(dá)太陽(yáng)系外的旅行時(shí)間。如果我們?cè)?030年代早期用一枚足夠強(qiáng)大的火箭（比如NASA的太空發(fā)射系統(tǒng)）發(fā)射一項(xiàng)任務(wù)，該任務(wù)就能以加速后的速度在不到2年的時(shí)間內(nèi)到達(dá)木星。然后，一艘宇宙飛船會(huì)分離成兩部分，一部分飛向天王星（2042年到達(dá)），另一部分飛向海王星（比天王星晚幾年到達(dá)海王星軌道）。

一旦就位，運(yùn)氣好的話(huà)，這些軌道飛行器會(huì)在其空間站維持運(yùn)轉(zhuǎn)超過(guò)十年，就像著名的卡西尼號(hào)在土星上那樣。

轉(zhuǎn)向左方

在前往這些冰雪目的地的漫長(zhǎng)旅程中，同一探測(cè)器也可同時(shí)用于另一種非常不同的研究項(xiàng)目，那就是引力波研究。在預(yù)出版服務(wù)器網(wǎng)站arXiv.org上的一篇最新論文中，對(duì)此有詳細(xì)論述，該論文已提交至《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)（信報(bào)）》。

在飛行旅途中，地球上的科學(xué)家和工程師們必須頻繁的與飛船交流，更新其飛行軌跡并檢查其工作狀態(tài)。同樣的，飛船也會(huì)不斷的向地球發(fā)回信息。

藝術(shù)家描繪的引力波（圖片來(lái)源：羅伯特.哈特/加州理工學(xué)院——空氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室）

光波沿著一條極長(zhǎng)的路徑來(lái)回反射。

聽(tīng)起來(lái)很熟悉嗎？在地球上，物理學(xué)家也沿著數(shù)英里長(zhǎng)的軌道反射激光束，以測(cè)量經(jīng)過(guò)的引力波。當(dāng)引力波（宇宙時(shí)空纖維上的漣漪）穿過(guò)地球時(shí)，它們會(huì)扭曲經(jīng)過(guò)的一切物體，交替的將其擠壓和拉長(zhǎng)。在探測(cè)器內(nèi)部，這些波輕微的改變著遠(yuǎn)處兩面鏡子之間的距離，從而以一個(gè)極微小的量（通常小于一個(gè)原子的直徑）影響著引力波觀(guān)測(cè)站里光的路徑。

對(duì)于從遙遠(yuǎn)的太空傳送到地球的無(wú)線(xiàn)電波通信來(lái)說(shuō)，效果是類(lèi)似的。如果一道引力波經(jīng)過(guò)太陽(yáng)系，它將以一種規(guī)律的方式改變飛船與地球的距離，使得探測(cè)器極其輕微的靠近我們，然后又遠(yuǎn)離，然后再靠近。如果飛船在整個(gè)航程中都在發(fā)送信號(hào)，我們就會(huì)看到其無(wú)線(xiàn)電通信的頻率出現(xiàn)了多普勒位移。如果有兩艘這樣的飛船同時(shí)發(fā)送信號(hào)，天文學(xué)家就能更清晰的觀(guān)測(cè)到這種位移。

換言之，這些遙遠(yuǎn)的太空探測(cè)器可以作為世界上最大的引力波觀(guān)測(cè)器執(zhí)行雙重任務(wù)。

更宏大的宇宙

最大的技術(shù)障礙是以令人難以置信的精度測(cè)量飛船無(wú)線(xiàn)電波通信頻率的能力。根據(jù)最近的研究，我們的測(cè)量精度必須至少要比土星卡西尼號(hào)高出100倍。

這一要求看起來(lái)很高，但事實(shí)上離卡西尼號(hào)的設(shè)計(jì)已經(jīng)過(guò)去好幾十年了，而且我們一直在改進(jìn)我們的通信技術(shù)。此外，物理學(xué)家們現(xiàn)在也正在設(shè)計(jì)他們自己的天基引力波探測(cè)器，比如激光干涉空間天線(xiàn)（LISA），這種天線(xiàn)也是需要類(lèi)似的技術(shù)。由于冰巨人任務(wù)還有十年左右的時(shí)間，所以我們可以?xún)A注更多資源來(lái)開(kāi)發(fā)這些相關(guān)必要的技術(shù)。

如果我們能破解這一精度，則這一極長(zhǎng)的引力波探臂（實(shí)際比目前的探測(cè)臂長(zhǎng)數(shù)十億倍）就能揭示宇宙中的一系列極端事件。由于其驚人的長(zhǎng)度，這一“冰巨星觀(guān)測(cè)站”將對(duì)一類(lèi)與我們目前所能觀(guān)測(cè)到的完全不同的事件十分敏感。根據(jù)研究，在這一任務(wù)的生命周期內(nèi)，探測(cè)器有可能會(huì)探測(cè)到幾十個(gè)質(zhì)量差異極大的黑洞合并事件，以及至少一個(gè)超大質(zhì)量黑洞合并。這些事件是我們用目前的引力波探測(cè)器根本不曾也不能觀(guān)測(cè)到的。

哦對(duì)了，這也并不耽誤我們了解天王星和海王星。

BY: Paul Sutter

FY: Asis

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