北京
▲科學家對利用月球探測引力波的潛力進行綜合評估（視頻由AI生成）
引力波是觀測宇宙的全新窗口。近日，中國科學院地質與地球物理研究所等對利用月球探測引力波的潛力進行了綜合評估，為未來月基引力波儀器研制和月面選址提供了行星物理方面的關鍵依據(jù)。
01
為什么是月球？
目前觀測引力波存在0.01～1赫茲的分赫茲頻段空白區(qū)，但這一頻段卻是諸多關鍵天文事件的最佳觀測頻段。
▲月球對引力波響應原理示意圖
科學家認為，天體會被特定頻率的引力波激發(fā)進而發(fā)生全球性的自由震蕩，月球的固有振動頻率恰好落在分赫茲頻段。
月球就像一口懸在太空中的大鐘，當合適頻率的引力波經過時，它就會被敲響，從而把微弱的引力波轉化為更容易觀測到的月球共振信號。而且，月球沒有大氣、海洋和人類活動的干擾，背景噪聲遠低于地球，更有利于信號檢測。
02
月球如何振動？
要把月球當作引力波的天然放大器，必須首先弄清當引力波到來時，月球究竟會如何振動？
以往的理論分析均把月球視作表面光滑、內部均勻或分層均勻的理想球體。但實際上月表高差起伏接近20公里，而且正面與背面月殼厚度相差近一倍。
月球的地形起伏和內部不均勻是否對引力波有影響，影響到什么程度，是諸多月基引力波探測方案必須面對的首要問題。
團隊提出了兩種方法來模擬月球對引力波的響應：一種是高分辨率的大規(guī)模譜元法模擬，它可將月球地形刻畫到約2公里的網格，呈現(xiàn)局部細節(jié)；第二種是三維簡正模耦合微擾理論，它能從整體上把握月球的振動模式。
▲從“一維分層球體”假設到包含真實地形起伏的“三維全真模型”圖
兩種方法各有所長，但是在低頻段給出了高度一致的結果，二者相互獨立又彼此驗證。
03
厚薄才是關鍵
研究發(fā)現(xiàn)，決定引力波信號放大程度的主要因素并不是地表是否崎嶇，而是月殼的厚薄。
在月殼較厚的區(qū)域，信號被系統(tǒng)性地放大；在最受關注的分赫茲（約0.1赫茲）頻段附近，部分頻率可被放大數(shù)十倍。
研究認為，理想情況下，引力波只能激發(fā)月球的四極（l=2）振動模式；而真實月球月殼厚薄不均、并不對稱，這種不對稱會把原本集中在四極模式上的能量，重新分配到一系列更高階的振動模式中——如同敲擊一口形狀不規(guī)則的鐘，除了主音，還會激起多個泛音。這種模式混合，會在厚月殼區(qū)域放大信號。
這一發(fā)現(xiàn)改變了僅憑地形平坦程度來選址的直觀認識。未來如果在月球上探測引力波，應優(yōu)先考慮月殼厚的區(qū)域，特別是月球背面（遠月面）更具優(yōu)勢。
研究團隊據(jù)此繪制出全月面的信號放大分布圖，圖中還標注了不同頻率放大倍數(shù)，為未來月基引力波探測器的選址、月基引力波儀器研制提供了關鍵依據(jù)。
作者：張磊 嚴涵 陳弦 張金海
來源：中國科學院地質與地球物理研究所
責任編輯：宋同舟
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