近日，欧洲航天局（ESA）已正式批准了首个测量太空引力波的实验项目。该项目名为激光干涉空间天线（LISA），将通过分析激光束在太阳系内250万公里范围传播的精确时间来探测由超大质量黑洞合并等宇宙事件引发的巨大时空涟漪。

欧洲航天局于1月25日宣布，这项耗资数十亿欧元的任务将于2025年启动建设，并计划于2035年发射。作为LISA合作团队成员的德国加尔辛马克斯·普朗克天体物理研究所的天体物理学家Valeriya Korol表示：“这项任务极具创新性，它将为我们打开一个只有LISA能够探测到的引力波源头的窗口”。

与地面探测设备相比，LISA的独特之处在于其能够探测到更低频率的引力波，这意味着它能够揭示更为庞大且更为遥远的宇宙现象，如黑洞的互相绕行，这些现象比2015年地面激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到的引力波现象范围更大、距离更远。

LISA项目的筹备已久，德国汉诺威马克斯·普朗克引力物理研究所所长兼LISA联盟负责人Karsten Danzmann回忆说，他最初为LISA撰写提案是在31年前。该实验旨在通过测量数百万公里外两个质量点之间激光传播的距离（精确到万亿分之一米）来探测引力波，其精度之高，以至于除了时空本身，几乎无任何其他因素能够影响质点的运动。Karsten Danzmann对于项目的实现充满信心，他表示：“当初人们认为这个想法很荒谬，但我告诉他们，只需耐心等待。”

LISA任务金三角：太空中的引力波探测

LISA项目将由三艘配置一致的航天器组成，它们将以等边三角形的队形绕太阳飞行（图1）。每艘航天器内部都装有一个4.6 cm长的黄金和铂金制成的漂浮立方体。通过使用激光精确测量这些立方体之间的相对距离，LISA能够以极高的精度（达到皮米级，即十亿分之一毫米）探测引力波所引起的微妙时空变化。这种变化是由大质量物体的加速运动产生的。这些精细的测量使得LISA能够精确定位引力波的来源。Valeriya Korol形容这种设备宛如“科幻小说中的仪器”。 

图1 LISA 任务飞船概念图。3颗卫星将在围绕太阳轨道上形成三角形

图源：美国宇航局

Karsten Danzmann指出，尽管在这样的距离上进行高精度测量面临挑战，但相较于地面，太空环境更有利于此类实验。太空中没有震动、大气层干扰和其他振动，为实验提供了几乎完美的真空环境。然而，技术的复杂性要求设备必须极其可靠，因为一旦发射，就无法简单地进行现场维修。

LISA项目设计用于探测波长介于30万公里至30亿公里之间的引力波，这一范围填补了地面激光干涉引力波天文台（LIGO）和脉冲星定时阵列探测能力之间的空白。与LIGO相比，它能探测到更长波长的引力波，而与脉冲星定时阵列相比，其探测的引力波波长则相对较短。目前，脉冲星定时阵列正在开展的研究中，通过利用一些作为“信标”的恒星来观测并研究整个星系的引力波，这些恒星发出的周期性信号帮助科学家们探测到了更长波长的引力波。

LISA及全球引力波探测合作前景

Karsten Danzmann指出，不同的实验观察到的是各自独特的现象，并提供互补的数据，正如射电望远镜和可见光设备所做的那样。得益于其庞大的规模，LISA将能够侦测到超大质量黑洞合并产生的引力波，以及那些在LIGO所探测到的碰撞阶段更早时发出的信号。LISA预计还将揭示前所未见的宇宙事件，如超越黑洞大小的白矮星碰撞，以及质量悬殊的双黑洞合并现象。

Valeriya Korol表示，天文学家们期待这项实验能探测到早期宇宙中产生的引力波背景噪声，这是理论上的预测，并且可能捕捉到最早期黑洞发出的信号。LISA通过测量其探测到的引力波源的距离，有望帮助科学家们更准确地了解宇宙膨胀率的变化。

我国也计划在2030年代发射自己的空间引力波探测器，对外简称为空间引力波探测“太极计划”和“天琴计划”。我国空间引力波探测计划得到了LISA项目发展的助力，增强了其实施的可能性。“天琴计划”的方案被称为中国方案，与欧洲LISA计划不同，它的目标是在2035年前后，在约10万公里高的地心轨道上，部署3颗全同卫星，构成边长约为17万公里的等边三角形星座，建成空间引力波天文台“天琴”，开展引力波的空间探测。“太极计划”与欧洲LISA计划基本相同，在距离地球约5000万公里的日心轨道上，发射三颗全同卫星，三星编队轨道以太阳为中心，设计干涉臂臂长即卫星间距300万公里。天琴、LISA、太极三个计划，前者是地心轨道方案，后两者是日心轨道方案，需要相同的核心技术，也有各自不同的技术难题，但对空间引力波探测具有互补性。欧空局对LISA项目的批准标志着科学界的一个重要里程碑。

原文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-024-00254-x