月球是引力波觀測站的理想地點
2020-07-26 技術力量
未來幾年，多個空間機構將向月球南極地區派出飛行任務，其中甚至包括太空人，旨在進行重要研究。除了偵察該地區的資源，為建造月球基地做準備，這些飛行任務還將測試在月球遠端進行各種科學調查的可能性。
兩位著名的科學家，美國範德堡大學的天體物理學家卡蘭·賈尼博士和哈佛大學哈佛·史密森天體物理中心主任亞伯拉罕·勒布教授認為，可以在月球遠端進行引力波天文學研究。
他們解釋了引力波月球宇宙學天文臺將如何成為探索最豐富和最具挑戰性頻率的引力波的理想選擇。
愛因斯坦的廣義相對論最早預測了引力波。本質上，引力波是由黑洞或中子星等巨大物體的合併所引起的時空漣漪。
第一個被證實的引力波事件發生在2016年，「雷射幹涉儀引力波天文臺」(LIGO)的科學家宣布引力波來自Markarian 231，一個距離超過13億光年的黑洞雙子系統。
自那時起，隨著更多探測器的上線，世界各地天文臺之間的合作，以及技術和方法的改進，天文學家共探測到56個引力波候選事件。利用這些事件，天體物理學家能夠對廣義相對論進行測試，這有助於他們對廣義相對論的理解。
更重要的是，天文學家們發現了許多傳統方法不足的地方。
勒布教授表示：「傳統的天文學都是通過望遠鏡來探測光線。有些環境，比如星系的核心或恆星形成區域，在不透明的氣體和塵埃雲背後被遮擋。另一些環境，比如周圍沒有物質的黑洞，則不會發出任何光。引力波為我們提供了一個窺探這些環境的機會，這是我們以前從未探知過的。它們最強的來源是黑洞的合併，這為愛因斯坦的引力理論提供了一個新的試驗平臺，因為它們是該理論所預測的最極端的時空結構。」
天文學家希望通過月球射電天文臺不受幹擾的工作。對於太空望遠鏡，比如哈勃、凌日系外行星巡天衛星、蓋亞等，它們在地球大氣層之外工作意味著能夠收集不受波長扭曲的光，而不需要適應性光學器件。
當涉及到幹涉儀和引力波時，情況也是如此。基本上，幹涉儀依靠兩個或更多的合併光源以產生幹涉圖案，然後由光電探測器分析，以注意任何突然的變化。當幹涉儀截獲引力波時，波紋會引起可測量的扭曲，科學家們用它來確定光源的性質和距離。
不幸的是，由於引力波非常難以探測，因此幹涉儀必須非常敏感，這使得它們很容易受到幹擾。首先，探測器的手臂需要保持在真空狀態，以消除空氣分子可能的幹擾，地震事件也會導致幹擾。
但在月球上，由於月球在地質上不活躍，沒有大氣層可言，這些幹擾將幾乎不存在。勒布教授解釋說：「由於月球沒有地質活動，地震噪音極低。這使得它能夠探測到的引力波頻率範圍，比從地球上能夠進入的引力波小兩個數量級。這種情況類似於建造一個射電望遠鏡而不是光學望遠鏡。月球也沒有大氣層，因此其表面的真空度已經遠遠高於地球上雷射幹涉引力波天文臺和室女座幹涉儀器的真空管。」
賈尼博士提出的宇宙學引力波月球觀測站構造圖
在月球遠端的宇宙學引力波月球觀測站（GLOC）能揭示真正有趣的東西。在地球上，科學家們能夠探測到的黑洞合併種類是有限的。而在月球上，一個觀測站可以進入天文學家目前無法洞察的領域。勒布教授說：「新的頻率範圍使我們能夠通過可觀測宇宙的大部分體積來探測中等質量的黑洞。」
已經有科學家提出利用引力波來研究黑洞、超新星的內部，定位暗物質，並測量宇宙的膨脹（也就是哈勃常數）。最後一種可能性尤其誘人，因為一個多世紀以來，科學家們一直在逐步降低哈勃常數測量的不確定性水平。
與此同時，科學家們不得不處理一種被稱為 &34;的差異。在這種差異中，隨著宇宙膨脹的不確定性的減少，並沒有被不同測量值之間的減少所對等。
賈尼博士說：「月球的軌道使宇宙學引力波月球觀測站能夠精確地確定合併黑洞和中子星的宿主星系，這對解決哈勃張力至關重要。」
賈尼博士和勒布教授建議設立宇宙學引力波月球觀測站另一個令人信服的原因是美國航天局和其他航天機構未來幾年將陸續進行月球探索計劃。除了2024年之前將美國太空人再次送回月球之外，美國宇航局還希望在此後建立一個可持續月球探索的計劃。
這將包括一個可以定期前往月球表面的軌道空間棲息地，以及在月球表面建立有利於長期探索任務的基礎設施。
勒布教授說，現在是考慮我們要在那裡建立什麼樣的基礎設施的最佳時機。他說：「現在時機已經成熟。過去，科學家們考慮的是射電、紫外線和X射線望遠鏡。在月球建站為大型科學項目提出了一種令人興奮的新可能性，我們希望科學界能認可這種可能性。」
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如何探測引力波?
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引力波背景將帶來什麼?
文／陳根引力波是發生在空間和時間極端結構中的扭曲，通常在黑洞和／或中子星之間的碰撞中產生。一個世紀前，愛因斯坦廣義相對論首次對這種波進行了預言，但直到2017年，它才被一項名為雷射幹涉儀引力波天文臺（LIGO）實驗的科學家首次直接探測到。首次探究到的引力波相當於一次猛烈而短暫的爆炸。 -
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