聽天文| 宇宙飛船纔是探測引力波的王者！
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作者：Paul Sutter
翻譯：張宇辰
校對：王婧彧 王茸 張硯斌 楊伯順
審閱：牧夫校對組
後臺：庫特莉亞夫卡 李子琦 徐⑨坤 胡永葳
現在我們大家都知道，太陽系八顆行星中，天王星和海王星距離太陽最爲遙遠。到今天爲止，它倆僅僅只被一個航天器--旅行者2號飛船造訪過。貌似它倆真的不是人類科學家的寵兒呦！
（圖片來源：NASA/JPL-Caltech）
可憐的天王星和海王星！它們都是孤獨的冰寶貝。
我們所擁有的關於它們外觀的唯一特寫照片，是來自於旅行者2號宇宙飛船。這艘飛船曾在20世紀80年代末的“大巡遊”中，掠過這些小行星。從那次“大巡遊”之後，我們向水星發射了探測器，向木星和土星發射了探測器(包括在土星的衛星——土衛六上着陸)，收集了小行星和彗星的樣本，並向火星發射了一輛又一輛巡遊車。但是，敲黑板、注意了，我們卻偏偏沒有向天王星或海王星發射任何東西！這怪誰呢？它們倆的主要組成物質是水和氨冰，被稱爲“冰巨人”星球，又冷、離我們又遠，它們就只能孤零零地躺在太陽系大家庭的外圍，遠離人間了。
而在太陽系中，沒有哪個星球和它們完全一樣，人類對它們的研究無從下手。整整一代的行星科學家們，就只能可憐巴巴地通過“由地面望遠鏡和哈勃太空望遠鏡捕獲到的驚鴻一瞥”來研究它們。
假如，有那樣一個飛行任務，在宇宙飛船前往天王星和海王星的途中，可以順便研究一波兒宇宙中一些最劇烈事件所引發的引力波，那將會是什麼樣的大場面呢?
現在，望眼欲穿的行星科學家們，迫切需要一個新型的航天器，滿載人類的好奇心，飛越茫茫太空，去一探天王星和海王星的究竟。因爲，自從20世紀80年代末的旅行者號飛行任務之後，就再也沒有誰去造訪過這些冰巨星了。有一些腦洞大開的科學家在一項新的分析中說：通過這種新型航天器，不僅僅能發掘出一大堆有關這些太陽系兄弟姐妹的信息寶藏，同時，它還可以窺視到宇宙的更深處。
簡而言之就是，通過仔細監測航天器發回來的無線電信號的變化，天文學家們可能會看到，宇宙中發生的一些最劇烈事件所引起的引力波動，從而窺視宇宙中曾發生了些什麼。當然，人類需要有來自一個或多個這樣的航天器的無線電信號。
即便是當海王星在離地球最近的時候，它也離我們有27億英里那麼遠（43億公里）。有些延誤已經超出了我們的控制範圍。鞭長莫及，這麼遙遠的太空距離，使得往那裡發射有效載荷非常困難。
但是，一個好機會很快就要來啦！科學家發現，在某個時間窗口期中，我們太陽系中最大、最美麗的木星，恰恰正好處於一個有利於助推的位置，它能提供航天器急需的加速引力輔助，並縮短到外部系統的旅行時間。這個消息真是喜大普奔呀！
如果我們在21世紀30年代早期，利用美國宇航局的太空發射系統以及未來的某種高級發射系統，安排發射一枚足夠強大的火箭，那麼這個航天器就可以被大大地加速，並在不到兩年的時間內到達木星。
從那裡，一個航天器可以分爲兩部分，一部分飛往天王星，並於2042年到達；另一部分飛往海王星，不過要比天王星探測器晚幾年到達。如果運氣好的話，一旦它倆就位，這些軌道飛行器可以像著名的卡西尼號在土星執行的任務一樣，維持運行超過10年。
而且，福利還不止這一點呦！最近的一篇科學論文裡，詳細地論述了另一種可能：在宇宙飛船飛往那些冰冷星球的漫長航程中，還可以完成另一項高級任務，即探測引力波。關於引力波，它是觀測宇宙的一扇新窗戶，原初引力波忠實地記錄了暴漲時期的物理過程。
在飛船的整個飛行過程中，地面上的科學家和技術人員，必須不斷地與航天器進行通信，去更新軌道、檢查狀態。相反，宇宙飛船會不斷地向地球發回無線電信息。
藝術家對引力波的描繪。
(圖片來源:R. Hurt/Caltech-JPL）
光波會沿着一條非常長的路徑來回反射。聽起來熟悉嗎？在地球上，物理學家將激光束沿着數英里長的軌道反射，來測量通過它們的引力波。當這些波，也就是時空結構本身的波紋，穿過地球時，它們會扭曲物體，以交替的方式壓縮和拉伸物體。在探測器內部，這些波微妙地改變了兩個相距很遠的鏡子之間的長度，對引力波觀測站中光的路徑產生了微小的影響(通常小於一個原子的寬度)。
那麼同樣的道理，對於從遙遠的太空返回地球的無線電通信來說，效果是相似的。如果一個引力波穿過太陽系，它會以一種有規律的方式改變地球到航天器的距離，導致探測器離我們稍微近一點，然後離我們遠一點，然後再近一點……這樣，探測器就相當於變成了引力波觀測裝置。
怎麼樣？道理就變得簡單了吧! 如果宇宙飛船在整個巡航過程中,都一直在不間斷地發送信號，那麼我們在地球上，就會看到它的無線電通信頻率，出現多普勒頻移。如果有兩個這樣的航天器同時運行，天文學家就可以對這種變化進行更清晰的觀察。換句話說，這些遙遠的太空探測器，就可以充當世界上最大的引力波觀測站，發揮雙重作用。
想象很美妙，現實很骨感。要想達到這個目的，我們目前最大的技術障礙是：如何達到令人難以置信的高精度測量到航天器無線電通信頻率的能力。根據最近的研究，我們這種測量的能力，必須至少是卡西尼號土星任務的100倍。
這聽起來很難。但是，卡西尼號的設計到現在已有幾十年的時間，我們不能以老眼光看待當下，這些年我們一直在不斷地改進我們的通訊技術。
目前，物理學家們正在設計自己的太空引力波探測器，比如空間激光干涉儀（LISA）。爲了未來科學的發展，人類無論如何都需要類似的技術。正如前面所言，由於距離“冰巨人”任務還有近10年的時間，我們可以投入更多的資源來開發必要的技術。如果哪一天我們夢想成真，能突破這個水平的靈敏度，那麼這個巨型的引力波探測器，以其“探測手臂”的極端長度，就可以揭示宇宙中的各種極端事件。它的長度比我們現在的探測器長數十億倍，可以使這個“冰巨星天文臺”探測到一些截然不同的領域的事件，遠比我們今天所能觀察到的還要多得多。再爆個瓜：根據研究，在這樣一個任務的週期內，這樣巨型的探測器可能會探測到幾十個質量差異極大的黑洞合併，以及至少一個超大質量黑洞合併，厲害吧？而這些宇宙大事件，我們目前根本沒有觀察到，也不能用現有的引力波探測器觀察到。
哦，對了，別忘了，探測器還幫我們瞭解探測了天王星和海王星。一箭雙鵰！
原文鏈接：
https://www.space.com/ice-giant-missions-could-catch-gravitational-waves
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版面編排：琇 茹
責任編輯：楊伯順
牧夫新媒體編輯部
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『天文溼刻』 牧夫出品
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當霍金大神去天國……
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