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月球是引力波观测站的理想地点

2020/7/26 9:04:00 来源:原创 浏览:


未来几年,多个空间机构将向月球南极地区派出飞行任务,其中甚至包括宇航员,旨在进行重要研究。除了侦察该地区的资源,为建造月球基地做准备,这些飞行任务还将测试在月球远端进行各种科学调查的可能性。

两位著名的科学家,美国范德堡大学的天体物理学家卡兰·贾尼博士和哈佛大学哈佛·史密森天体物理中心主任亚伯拉罕·勒布教授认为,可以在月球远端进行引力波天文学研究。

他们解释了引力波月球宇宙学天文台将如何成为探索最丰富和最具挑战性频率的引力波的理想选择。


爱因斯坦的广义相对论最早预测了引力波。本质上,引力波是由黑洞或中子星等巨大物体的合并所引起的时空涟漪。

第一个被证实的引力波事件发生在2016年,“激光干涉仪引力波天文台”(LIGO)的科学家宣布引力波来自Markarian 231,一个距离超过13亿光年的黑洞双子系统。

自那时起,随着更多探测器的上线,世界各地天文台之间的合作,以及技术和方法的改进,天文学家共探测到56个引力波候选事件。利用这些事件,天体物理学家能够对广义相对论进行测试,这有助于他们对广义相对论的理解。

更重要的是,天文学家们发现了许多传统方法不足的地方。

勒布教授表示:“传统的天文学都是通过望远镜来探测光线。有些环境,比如星系的核心或恒星形成区域,在不透明的气体和尘埃云背后被遮挡。另一些环境,比如周围没有物质的黑洞,则不会发出任何光。引力波为我们提供了一个窥探这些环境的机会,这是我们以前从未探知过的。它们最强的来源是黑洞的合并,这为爱因斯坦的引力理论提供了一个新的试验平台,因为它们是该理论所预测的最极端的时空结构。”

天文学家希望通过月球射电天文台不受干扰的工作。对于太空望远镜,比如哈勃、凌日系外行星巡天卫星、盖亚等,它们在地球大气层之外工作意味着能够收集不受波长扭曲的光,而不需要适应性光学器件。

当涉及到干涉仪和引力波时,情况也是如此。基本上,干涉仪依靠两个或更多的合并光源以产生干涉图案,然后由光电探测器分析,以注意任何突然的变化。当干涉仪截获引力波时,波纹会引起可测量的扭曲,科学家们用它来确定光源的性质和距离。

不幸的是,由于引力波非常难以探测,因此干涉仪必须非常敏感,这使得它们很容易受到干扰。首先,探测器的手臂需要保持在真空状态,以消除空气分子可能的干扰,地震事件也会导致干扰。

但在月球上,由于月球在地质上不活跃,没有大气层可言,这些干扰将几乎不存在。勒布教授解释说:“由于月球没有地质活动,地震噪音极低。这使得它能够探测到的引力波频率范围,比从地球上能够进入的引力波小两个数量级。这种情况类似于建造一个射电望远镜而不是光学望远镜。月球也没有大气层,因此其表面的真空度已经远远高于地球上激光干涉引力波天文台和室女座干涉仪器的真空管。”


贾尼博士提出的宇宙学引力波月球观测站构造图

在月球远端的宇宙学引力波月球观测站(GLOC)能揭示真正有趣的东西。在地球上,科学家们能够探测到的黑洞合并种类是有限的。而在月球上,一个观测站可以进入天文学家目前无法洞察的领域。勒布教授说:“新的频率范围使我们能够通过可观测宇宙的大部分体积来探测中等质量的黑洞。”

已经有科学家提出利用引力波来研究黑洞、超新星的内部,定位暗物质,并测量宇宙的膨胀(也就是哈勃常数)。最后一种可能性尤其诱人,因为一个多世纪以来,科学家们一直在逐步降低哈勃常数测量的不确定性水平。

与此同时,科学家们不得不处理一种被称为 "哈勃张力"的差异。在这种差异中,随着宇宙膨胀的不确定性的减少,并没有被不同测量值之间的减少所对等。

贾尼博士说:“月球的轨道使宇宙学引力波月球观测站能够精确地确定合并黑洞和中子星的宿主星系,这对解决哈勃张力至关重要。”

贾尼博士和勒布教授建议设立宇宙学引力波月球观测站另一个令人信服的原因是美国航天局和其他航天机构未来几年将陆续进行月球探索计划。除了2024年之前将美国宇航员再次送回月球之外,美国宇航局还希望在此后建立一个可持续月球探索的计划。

这将包括一个可以定期前往月球表面的轨道空间栖息地,以及在月球表面建立有利于长期探索任务的基础设施。

勒布教授说,现在是考虑我们要在那里建立什么样的基础设施的最佳时机。他说:“现在时机已经成熟。过去,科学家们考虑的是射电、紫外线和X射线望远镜。在月球建站为大型科学项目提出了一种令人兴奋的新可能性,我们希望科学界能认可这种可能性。”

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