前往不为人知的星球，瞥进更深的宇宙——在冰寒的太阳系边缘探测引力波

天王星和海王星都只被一个航天器造访过，即旅行者2号。

(图片来源：航空航天局/喷气推进实验室--加州理工学院)

如果一项太空任务在前往我们太阳系最不为人知的星球的旅途中，也能顺便探究一下由宇宙中一些最剧烈事件引发的引力波，那会怎样呢？

行星科学家们迫切希望对天王星和海王星进行一次新的探测，因为自从1980年代晚期的旅行者号飞过之后，这些巨大的冰雪世界就再也没有被造访过了。当一艘这样的宇宙飞船能够发掘出有关这些太阳系姊妹们的信息宝藏时，它同时还能够瞥进更深的宇宙——在一项最新的分析中，科学家们说：通过仔细监测一艘或多艘这样的宇宙飞船发出的无线电波信号的变化，天文学家可能会看见一些由宇宙中最剧烈事件引起的引力波。

冰，冰孩

可怜的海王星和天王星。这是我们关于外太空唯一的近距离特写照片，它是来自旅行者2号宇宙飞船。在1980年代晚期的大巡游中，旅行者2号经过了这些行星。从那以后，我们还发送了探测器到水星，发送任务到木星和土星（包括登陆到土星的卫星土卫六），搜集小行星和彗星的样品，并向火星发射了一艘又一艘的漫游车.

但是没有天王星和海王星。那是我们现在所知为“冰巨星”的世界，因为水冰和氨冰主导了其成分。这些星球孤独的位于我们天体邻域的外边缘。在太阳系中，再也没有哪个别的世界与它们相似。整整一代的行星科学家们只能通过地面望远镜和哈勃太空望远镜的偶尔一瞥来研究它们。

其中有些延迟是我们无法控制的。即使是海王星上距离地球最近的地点，也在27亿英里（43亿公里）之外。由于海王星和天王星距离地球极远，使得发送载荷到那里是极难而几乎不可能的。

但是有一个机会正在来临。在木星与其排成一列的窗口期，就正好能提供急需的加速引力辅助，以缩短到达太阳系外的旅行时间。如果我们在2030年代早期用一枚足够强大的火箭（比如NASA的太空发射系统）发射一项任务，该任务就能以加速后的速度在不到2年的时间内到达木星。然后，一艘宇宙飞船会分离成两部分，一部分飞向天王星（2042年到达），另一部分飞向海王星（比天王星晚几年到达海王星轨道）。

一旦就位，运气好的话，这些轨道飞行器会在其空间站维持运转超过十年，就像著名的卡西尼号在土星上那样。

转向左方

在前往这些冰雪目的地的漫长旅程中，同一探测器也可同时用于另一种非常不同的研究项目，那就是引力波研究。在预出版服务器网站arXiv.org上的一篇最新论文中，对此有详细论述，该论文已提交至《皇家天文学会月报（信报）》。

在飞行旅途中，地球上的科学家和工程师们必须频繁的与飞船交流，更新其飞行轨迹并检查其工作状态。同样的，飞船也会不断的向地球发回信息。

艺术家描绘的引力波（图片来源：罗伯特.哈特/加州理工学院——空气推进实验室）

光波沿着一条极长的路径来回反射。

听起来很熟悉吗？在地球上，物理学家也沿着数英里长的轨道反射激光束，以测量经过的引力波。当引力波（宇宙时空纤维上的涟漪）穿过地球时，它们会扭曲经过的一切物体，交替的将其挤压和拉长。在探测器内部，这些波轻微的改变着远处两面镜子之间的距离，从而以一个极微小的量（通常小于一个原子的直径）影响着引力波观测站里光的路径。

对于从遥远的太空传送到地球的无线电波通信来说，效果是类似的。如果一道引力波经过太阳系，它将以一种规律的方式改变飞船与地球的距离，使得探测器极其轻微的靠近我们，然后又远离，然后再靠近。如果飞船在整个航程中都在发送信号，我们就会看到其无线电通信的频率出现了多普勒位移。如果有两艘这样的飞船同时发送信号，天文学家就能更清晰的观测到这种位移。

换言之，这些遥远的太空探测器可以作为世界上最大的引力波观测器执行双重任务。

更宏大的宇宙

最大的技术障碍是以令人难以置信的精度测量飞船无线电波通信频率的能力。根据最近的研究，我们的测量精度必须至少要比土星卡西尼号高出100倍。

这一要求看起来很高，但事实上离卡西尼号的设计已经过去好几十年了，而且我们一直在改进我们的通信技术。此外，物理学家们现在也正在设计他们自己的天基引力波探测器，比如激光干涉空间天线（LISA），这种天线也是需要类似的技术。由于冰巨人任务还有十年左右的时间，所以我们可以倾注更多资源来开发这些相关必要的技术。

如果我们能破解这一精度，则这一极长的引力波探臂（实际比目前的探测臂长数十亿倍）就能揭示宇宙中的一系列极端事件。由于其惊人的长度，这一“冰巨星观测站”将对一类与我们目前所能观测到的完全不同的事件十分敏感。根据研究，在这一任务的生命周期内，探测器有可能会探测到几十个质量差异极大的黑洞合并事件，以及至少一个超大质量黑洞合并。这些事件是我们用目前的引力波探测器根本不曾也不能观测到的。

哦对了，这也并不耽误我们了解天王星和海王星。

BY: Paul Sutter

FY: Asis

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