北京
▲科学家对利用月球探测引力波的潜力进行综合评估（视频由AI生成）
引力波是观测宇宙的全新窗口。近日，中国科学院地质与地球物理研究所等对利用月球探测引力波的潜力进行了综合评估，为未来月基引力波仪器研制和月面选址提供了行星物理方面的关键依据。
01
为什么是月球？
目前观测引力波存在0.01～1赫兹的分赫兹频段空白区，但这一频段却是诸多关键天文事件的最佳观测频段。
▲月球对引力波响应原理示意图
科学家认为，天体会被特定频率的引力波激发进而发生全球性的自由震荡，月球的固有振动频率恰好落在分赫兹频段。
月球就像一口悬在太空中的大钟，当合适频率的引力波经过时，它就会被敲响，从而把微弱的引力波转化为更容易观测到的月球共振信号。而且，月球没有大气、海洋和人类活动的干扰，背景噪声远低于地球，更有利于信号检测。
02
月球如何振动？
要把月球当作引力波的天然放大器，必须首先弄清当引力波到来时，月球究竟会如何振动？
以往的理论分析均把月球视作表面光滑、内部均匀或分层均匀的理想球体。但实际上月表高差起伏接近20公里，而且正面与背面月壳厚度相差近一倍。
月球的地形起伏和内部不均匀是否对引力波有影响，影响到什么程度，是诸多月基引力波探测方案必须面对的首要问题。
团队提出了两种方法来模拟月球对引力波的响应：一种是高分辨率的大规模谱元法模拟，它可将月球地形刻画到约2公里的网格，呈现局部细节；第二种是三维简正模耦合微扰理论，它能从整体上把握月球的振动模式。
▲从“一维分层球体”假设到包含真实地形起伏的“三维全真模型”图
两种方法各有所长，但是在低频段给出了高度一致的结果，二者相互独立又彼此验证。
03
厚薄才是关键
研究发现，决定引力波信号放大程度的主要因素并不是地表是否崎岖，而是月壳的厚薄。
在月壳较厚的区域，信号被系统性地放大；在最受关注的分赫兹（约0.1赫兹）频段附近，部分频率可被放大数十倍。
研究认为，理想情况下，引力波只能激发月球的四极（l=2）振动模式；而真实月球月壳厚薄不均、并不对称，这种不对称会把原本集中在四极模式上的能量，重新分配到一系列更高阶的振动模式中——如同敲击一口形状不规则的钟，除了主音，还会激起多个泛音。这种模式混合，会在厚月壳区域放大信号。
这一发现改变了仅凭地形平坦程度来选址的直观认识。未来如果在月球上探测引力波，应优先考虑月壳厚的区域，特别是月球背面（远月面）更具优势。
研究团队据此绘制出全月面的信号放大分布图，图中还标注了不同频率放大倍数，为未来月基引力波探测器的选址、月基引力波仪器研制提供了关键依据。
作者：张磊 严涵 陈弦 张金海
来源：中国科学院地质与地球物理研究所
责任编辑：宋同舟
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