自幾年前人類(lèi)首次探測到引力波以來(lái)，公眾所熟知的“波”里又多了一名重要成員。但引力波真的是波嗎?

　　為了搞明白這件事，我國科學(xué)家與波蘭西里西亞大學(xué)研究人員聯(lián)合開(kāi)展研究，設計出利用微引力透鏡效應驗證引力波波動(dòng)性的觀(guān)測策略，該研究于近日發(fā)表在美國《天體物理學(xué)雜志》上。

　　進(jìn)一步驗證引力波的波動(dòng)性

　　歷史上，光的本性被描述成波或粒子。這兩種觀(guān)點(diǎn)分別由不同的實(shí)驗證實(shí)，因此在科學(xué)界內部存在激烈爭論。最終，隨著(zhù)量子力學(xué)的建立，科學(xué)家接受了波粒二象性。

　　那么引力波是否也和光波具有同樣的特征?

　　2015 年以來(lái)，美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)和歐洲處女座引力波探測器(VIRGO)已多次探測到引力波事件。

　　“引力波和光一樣，都由波動(dòng)方程描述，也應該具有衍射、干涉等波動(dòng)性。但引力波的波源是天體，這意味著(zhù)科學(xué)家難以像測量光的波動(dòng)性一樣在實(shí)驗室設計實(shí)驗系統。”該研究第一作者、武漢理工大學(xué)理學(xué)院副教授廖愷說(shuō)，設計驗證引力波波動(dòng)性觀(guān)測策略的意義正在于此。

　　“目前已探測到的十幾次雙中子星并合事件已經(jīng)驗證了引力波波動(dòng)性。然而，這樣的驗證是在同一個(gè)地點(diǎn)(地球)波形依賴(lài)的驗證。”論文通訊作者、武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院特聘研究員范錫龍說(shuō)，歷史上光的波動(dòng)性是通過(guò)空間衍射和干涉條紋觀(guān)測直接驗證的，作為類(lèi)比，他們希望引力波也能夠探測到這樣的效應來(lái)進(jìn)一步驗證其波動(dòng)性。

　　微引力透鏡效應派上用場(chǎng)

　　科研人員設計的觀(guān)測策略利用了引力透鏡效應，其原理是光或引力波在大質(zhì)量天體附近會(huì )發(fā)生偏折，類(lèi)似于幾何光學(xué)的透鏡效應。

　　“我們可以把透鏡體例如恒星或暗物質(zhì)看成衍射障礙物。”廖愷介紹，在引力透鏡效應下，當波長(cháng)相對透鏡體很小時(shí)，引力波和光波一樣由幾何近似描述;當波長(cháng)和透鏡可以比擬時(shí)應該由波動(dòng)近似描述;當波長(cháng)很長(cháng)時(shí)，障礙物完全不產(chǎn)生影響，引力直接穿過(guò)。

　　當透鏡體質(zhì)量為恒星量級時(shí)，光學(xué)望遠鏡不足以分辨兩個(gè)像，科學(xué)家把這種現象稱(chēng)為微引力透鏡。利用連續引力波波源、透鏡體和地面引力波探測器也可以觀(guān)測引力波微引力透鏡效應。

　　范錫龍解釋說(shuō)，利用上述三者的相對運動(dòng)來(lái)造成相對空間變化，在透鏡系統位置構型、引力波頻率和透鏡體質(zhì)量同時(shí)滿(mǎn)足一定條件時(shí)，可以探測引力波的空間衍射或干涉條紋，從而驗證引力波的波動(dòng)性。

　　非球對稱(chēng)中子星是觀(guān)測目標

　　該研究提出的具體方案是：快速自轉的非球對稱(chēng)中子星可以持續輻射準單色引力波，伴隨地球運動(dòng)，地面引力波探測器可在幾個(gè)月到幾年期間探測到連續引力波衍射或干涉的空間條紋。

　　“源、透鏡體和地球運動(dòng)使得地球能夠經(jīng)歷衍射屏上的不同點(diǎn)，但這個(gè)過(guò)程需要幾個(gè)月。非球對稱(chēng)自轉中子星可以產(chǎn)生長(cháng)時(shí)間穩定的單色波，因此能夠提供穩定的干涉、衍射條紋。干涉、衍射振幅變化時(shí)間尺度遠大于地球自轉對應的時(shí)間尺度，因此能夠很好地區分。” 范錫龍解釋說(shuō)。

　　這項研究還詳細探討了這類(lèi)事件的發(fā)生率。廖愷介紹，在銀河系的核球中存在約 10 億個(gè)中子星，同時(shí)球狀星團中也存在幾千個(gè)中子星。當中子星、透鏡體和地球近似成一條線(xiàn)時(shí)就能發(fā)生引力透鏡效應。在不同的銀河系模型下，這樣的概率大約有萬(wàn)分之一到百分之一。

　　“因此只要我們能夠探測足夠多的中子星，就有希望探測到其微引力透鏡效應。”范錫龍告訴科技日報記者，在整個(gè)過(guò)程中存在一個(gè)不確定因素，即目前仍不清楚中子星橢率到底有多大。另外，非球對稱(chēng)自轉中子星產(chǎn)生的單色引力波信號十分微弱，需要觀(guān)測幾個(gè)月時(shí)間并且要有優(yōu)良的算法提取信號。
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