天王星和海王星的任务可以充当巨大的引力波探测器

　　如果一个任务可以研究由宇宙中某些最剧烈的事件触发的引力波，那么在观察我们太阳系中鲜为人知的行星时该怎么办？保罗·萨特 （ Paul M. Sutter）是纽约州立大学 石溪分校和Flatiron研究所 的天体物理学家，主持太空人 和 太空广播节目的主持人，以及《如何在太空中死亡》一书的作者，他贡献了这篇文章。

　　行星科学家迫切希望对天王星和海王星进行新的探测，因为自1980年代后期旅行者号飞越以来，这些冰巨星世界还没有被访问过。科学家在一项新的分析中说：“尽管这样的航天器可以发掘有关这些太阳系兄弟姐妹的信息，但它也可以深入到整个宇宙中：通过仔细监视一个或多个此类航天器的无线电信号的变化，天文学家可能会看到由宇宙中某些最剧烈的事件引起的引力波动。”

　　可怜的天王星和海王星。旅行者2号宇宙飞船给我们提供了这些外部世界的唯一特写图像，该太空船在1980年代后期由这些行星在其“盛大之旅”中摆动。从那时起，我们向水星发射了探测器，向木星和土星发射了任务(包括在后者的卫星泰坦上着陆)，收集了小行星和彗星的样本，并向火星发射了一个又一个火星车。

　　但不是天王星或海王星。那些世界现在被称为“冰巨人”，因为水和氨冰主导着它们的组成，它们孤独地坐落在我们天体附近的外围。太阳系中没有其他世界像它们一样，并且整整一代的行星科学家都只能用地面望远镜和哈勃太空望远镜的一瞥来研究它们。

　　这种延误有些是我们无法控制的。甚至最接近的海王星也离地球27亿英里（43亿公里），而与海王星和天王星的极端距离也使得难以在其上发射有效载荷。

　　但是机会即将来临，在此期间木星正好排成一列，以提供急需的提速引力辅助并减少到外部系统的旅行时间。如果我们要在2030年代初使用足够强大的火箭（如NASA的“太空发射系统”）发射任务，该任务可能会在不到两年的时间内到达木星，以达到提速的目的。从那里，单个航天器可以分为两个部分，一个进入天王星（2042年到达），另一个进入海王星（此后几年实现轨道运行）。

　　一旦到位，如果运气盛行的话，这些轨道飞行器就可以维持其驻地超过十年，就像著名的卡西尼号任务在土星上所做的那样。

　　在长途跋涉到这些冰冷的目的地的过程中，这些相同的太空探测器还可以洞察一种非常不同的科学类型，即引力波。

　　在飞行过程中，地面的科学家和技术人员将不得不不断与航天器通信，更新其轨迹并检查其状态。相反，航天器将不断将信息广播回地球。

　　光波沿着非常长的路径来回弹跳。

　　听起来有点熟？在地球上，物理学家将激光束沿数英里长的轨道反射，以测量通过的重力波。当波（是时空本身的脉动）穿过地球时，它们使物体变形，以交替的顺序压缩和拉伸它们。在检测器内部，这些波巧妙地改变了远距镜之间的长度，从而影响了引力波天文台中的光路，且影响幅度很小（通常小于原子的宽度）。

　　对于从遥远的太空任务传回地球的无线电通信，效果是相似的。如果引力波穿过太阳系，它将以规则的方式改变与航天器的距离，从而使探针离我们太近，然后离我们越来越远，然后又再次离我们越来越近。如果航天器在整个巡航过程中都在发送信号，我们将看到其无线电通信频率发生多普勒频移。让两个这样的航天器同时作用，将使天文学家对这一转变有更清晰的观察。

　　换句话说，这些遥远的太空探测器可以作为世界上最大的引力波天文台来承担双重职责。

　　最大的技术障碍是能够以惊人的高精度测量航天器无线电通信的频率。根据最近的研究，我们的测量能力必须至少比卡西尼号（Cassini）进入土星的能力高100倍。

　　听起来很多，但是距卡西尼号设计已经过去了数十年，而且我们一直在不断改进我们的通信技术。而且物理学家目前正在设计他们自己的基于太空的重力波探测器，例如激光干涉仪空间天线（LISA），无论如何都将需要类似的技术。由于距离冰巨人任务还有10年的路程，因此我们可以投入更多的资源来开发必要的技术。