太空探索／LISA　聆聽重力波的小耳朵已準備妥當

美國航太總署（NASA）噴射推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）科學家和工程師們，成功測試一套未來將搭載在雷射干涉儀太空天線（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）任務上的雷射系統，結果顯示這套系統的雜訊已經降到極低的程度，足以讓LISA發射升空之後，能直接接收到來自天體重力波所造 成的聲波。

重力波（gravitational waves）是愛因斯坦相對論預測天體所引起的時空波動；但因這類訊號十分微弱，因此至今尚未直接偵測到過。歐洲太空總署（ESA）和JPL團隊合作的 LISA任務，主要目的之一就是直接偵測重力波，LISA任務預計在2020年以後發射升空。由於雷射的雜訊大於可測量的重力波強度，因此科學家和工程人 員必須小心地移除雜訊，只留下清晰的重力波訊號。

這件事的困難度，就像是要在暴雨中聆聽羽毛落地的聲音，或是在乾草堆中發現一顆單獨的質子一樣。JPL團隊過去6年一直在致力於改善LISA儀器 的精密度，包括相位計（phase meters），即非常靈敏的雷射光束偵測器等。現在他們終於達成目標，將相位計的雷射雜訊降低到原本的10億分之一，終於足以偵測到重力波的訊號。

重力波研究起源於1974年，當時研究人員發現一對波霎雙星（pulsar binary），因不知名的原因損失能量，使彼此愈繞愈近；後來科學家們才瞭解，損失的能量轉換成重力波而向外發散。這是首度間接證明重力波存在的研究， 使這些科學家贏得1993年的諾貝爾物理獎。

LISA任務將由3架太空船組成一個巨大的三角形，彼此相距約500萬公里，以雷射光束相互聯繫。它們位在落後地球約20度的位置環繞太陽運轉， 每架太空船上有由鉑和金製作的立方體，可自由懸浮在太空中。當重力波通過太空船時，會造成這些立方體上下擺動，使彼此間的距離改變，改變量僅相當於1皮米 （picometer，或稱微微米）；換言之，太空船相距50億公尺，重力波所引起的距離改變僅有0.000000000005公尺。

相位計接收到的雷射光會傳送到地面接收站，在此經歷所謂的「干涉」過程。如果干涉型態一直沒有改變，表示太空船彼此間的距離不曾改變；反之，如果干涉型態有變化，表示太空船彼此間的距離改變。一旦確定其他可能造成太空船位置改變得因素都排除後，那麼就表示偵測到重力波了。

事實上，上述只是基本概念，造成太空船位置移動的原因非常複雜，不只重力波一項。例如，太空船會自然移動；或是雷射光本身有雜訊，那怎知太空船移 動是因為重力波，還是因為雷射雜訊使太空船看來好像移動了？雖然重力波引起的距離改變量極為微小，而且還有這麼多複雜的因素，但在JPL團隊的努力之下， 目前相位計已能去除這些不確定因素，能偵測並確認重力波引起的微小變化。

LISA任務不僅預期可「聽到」重力波，而且可研究重力波的來源天體，即像黑洞或已步入死亡之境的大質量恆星等，當這些天體有加速度時，便會造成 時間與空間的擾動，從而發出重力波。如果LISA任務的儀器調整得當，則不僅可偵測到我們銀河系中的大質量天體所發出的重力波，甚至可偵測到來自遙遠星系 的重力波，讓科學家有機會獲得完整而全新的宇宙之音。(文／引用自臺北天文館之網路天文館網站)