前往不為人知的星球，瞥進更深的宇宙——在冰寒的太陽系邊緣探測引力波

天王星和海王星都只被一個航天器造訪過，即旅行者2號。

(圖片來源：美國航空航天局/噴氣推進實驗室--加州理工學(xué)院)

如果一項太空任務(wù)在前往我們太陽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，那會怎樣呢？

行星科學(xué)家們迫切希望對天王星和海王星進行一次新的探測，因為自從1980年代晚期的旅行者號飛過之后，這些巨大的冰雪世界就再也沒有被造訪過了。當一艘這樣的宇宙飛船能夠發(fā)掘出有關(guān)這些太陽系姊妹們的信息寶藏時，它同時還能夠瞥進更深的宇宙——在一項最新的分析中，科學(xué)家們說：通過仔細監(jiān)測一艘或多艘這樣的宇宙飛船發(fā)出的無線電波信號的變化，天文學(xué)家可能會看見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照片，它是來自旅行者2號宇宙飛船。在1980年代晚期的大巡游中，旅行者2號經(jīng)過了這些行星。從那以后，我們還發(fā)送了探測器到水星，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.

但是沒有天王星和海王星。那是我們現(xiàn)在所知為“冰巨星”的世界，因為水冰和氨冰主導(dǎo)了其成分。這些星球孤獨的位于我們天體鄰域的外邊緣。在太陽系中，再也沒有哪個別的世界與它們相似。整整一代的行星科學(xué)家們只能通過地面望遠鏡和哈勃太空望遠鏡的偶爾一瞥來研究它們。

其中有些延遲是我們無法控制的。即使是海王星上距離地球最近的地點，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，使得發(fā)送載荷到那里是極難而幾乎不可能的。

但是有一個機會正在來臨。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，以縮短到達太陽系外的旅行時間。如果我們在2030年代早期用一枚足夠強大的火箭（比如NASA的太空發(fā)射系統(tǒng)）發(fā)射一項任務(wù)，該任務(wù)就能以加速后的速度在不到2年的時間內(nèi)到達木星。然后，一艘宇宙飛船會分離成兩部分，一部分飛向天王星（2042年到達），另一部分飛向海王星（比天王星晚幾年到達海王星軌道）。

一旦就位，運氣好的話，這些軌道飛行器會在其空間站維持運轉(zhuǎn)超過十年，就像著名的卡西尼號在土星上那樣。

轉(zhuǎn)向左方

在前往這些冰雪目的地的漫長旅程中，同一探測器也可同時用于另一種非常不同的研究項目，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，對此有詳細論述，該論文已提交至《皇家天文學(xué)會月報（信報）》。

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，飛船也會不斷的向地球發(fā)回信息。

藝術(shù)家描繪的引力波（圖片來源：羅伯特.哈特/加州理工學(xué)院——空氣推進實驗室）

光波沿著一條極長的路徑來回反射。

聽起來很熟悉嗎？在地球上，物理學(xué)家也沿著數(shù)英里長的軌道反射激光束，以測量經(jīng)過的引力波。當引力波（宇宙時空纖維上的漣漪）穿過地球時，它們會扭曲經(jīng)過的一切物體，交替的將其擠壓和拉長。在探測器內(nèi)部，這些波輕微的改變著遠處兩面鏡子之間的距離，從而以一個極微小的量（通常小于一個原子的直徑）影響著引力波觀測站里光的路徑。

對于從遙遠的太空傳送到地球的無線電波通信來說，效果是類似的。如果一道引力波經(jīng)過太陽系，它將以一種規(guī)律的方式改變飛船與地球的距離，使得探測器極其輕微的靠近我們，然后又遠離，然后再靠近。如果飛船在整個航程中都在發(fā)送信號，我們就會看到其無線電通信的頻率出現(xiàn)了多普勒位移。如果有兩艘這樣的飛船同時發(fā)送信號，天文學(xué)家就能更清晰的觀測到這種位移。

換言之，這些遙遠的太空探測器可以作為世界上最大的引力波觀測器執(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量飛船無線電波通信頻率的能力。根據(jù)最近的研究，我們的測量精度必須至少要比土星卡西尼號高出100倍。

這一要求看起來很高，但事實上離卡西尼號的設(shè)計已經(jīng)過去好幾十年了，而且我們一直在改進我們的通信技術(shù)。此外，物理學(xué)家們現(xiàn)在也正在設(shè)計他們自己的天基引力波探測器，比如激光干涉空間天線（LISA），這種天線也是需要類似的技術(shù)。由于冰巨人任務(wù)還有十年左右的時間，所以我們可以傾注更多資源來開發(fā)這些相關(guān)必要的技術(shù)。

如果我們能破解這一精度，則這一極長的引力波探臂（實際比目前的探測臂長數(shù)十億倍）就能揭示宇宙中的一系列極端事件。由于其驚人的長度，這一“冰巨星觀測站”將對一類與我們目前所能觀測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)，探測器有可能會探測到幾十個質(zhì)量差異極大的黑洞合并事件，以及至少一個超大質(zhì)量黑洞合并。這些事件是我們用目前的引力波探測器根本不曾也不能觀測到的。

哦對了，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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