自幾年前人類首次探測(cè)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(guó)科學(xué)家與波蘭西里西亞大學(xué)研究人員聯(lián)合開展研究，設(shè)計(jì)出利用微引力透鏡效應(yīng)驗(yàn)證引力波波動(dòng)性的觀測(cè)策略，該研究于近日發(fā)表在美國(guó)《天體物理學(xué)雜志》上。

進(jìn)一步驗(yàn)證引力波的波動(dòng)性

歷史上，光的本性被描述成波或粒子。這兩種觀點(diǎn)分別由不同的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，因此在科學(xué)界內(nèi)部存在激烈爭(zhēng)論。最終，隨著量子力學(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(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)和歐洲處女座引力波探測(cè)器(VIRGO)已多次探測(cè)到引力波事件。

“引力波和光一樣，都由波動(dòng)方程描述，也應(yīng)該具有衍射、干涉等波動(dòng)性。但引力波的波源是天體，這意味著科學(xué)家難以像測(cè)量光的波動(dòng)性一樣在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。”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(shè)計(jì)驗(yàn)證引力波波動(dòng)性觀測(cè)策略的意義正在于此。

“目前已探測(cè)到的十幾次雙中子星并合事件已經(jīng)驗(yàn)證了引力波波動(dòng)性。然而，這樣的驗(yàn)證是在同一個(gè)地點(diǎn)(地球)波形依賴的驗(yàn)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測(cè)直接驗(yàn)證的，作為類比，他們希望引力波也能夠探測(cè)到這樣的效應(yīng)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證其波動(dòng)性。

微引力透鏡效應(yīng)派上用場(chǎng)

科研人員設(shè)計(jì)的觀測(cè)策略利用了引力透鏡效應(yīng)，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，類似于幾何光學(xué)的透鏡效應(yīng)。

“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(yīng)下，當(dāng)波長(zhǎng)相對(duì)透鏡體很小時(shí)，引力波和光波一樣由幾何近似描述;當(dāng)波長(zhǎng)和透鏡可以比擬時(shí)應(yīng)該由波動(dòng)近似描述;當(dāng)波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)，障礙物完全不產(chǎn)生影響，引力直接穿過(guò)。

當(dāng)透鏡體質(zhì)量為恒星量級(jí)時(shí)，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不足以分辨兩個(gè)像，科學(xué)家把這種現(xiàn)象稱為微引力透鏡。利用連續(xù)引力波波源、透鏡體和地面引力波探測(cè)器也可以觀測(cè)引力波微引力透鏡效應(yīng)。

范錫龍解釋說(shuō)，利用上述三者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)造成相對(duì)空間變化，在透鏡系統(tǒng)位置構(gòu)型、引力波頻率和透鏡體質(zhì)量同時(shí)滿足一定條件時(shí)，可以探測(cè)引力波的空間衍射或干涉條紋，從而驗(yàn)證引力波的波動(dòng)性。

非球?qū)ΨQ中子星是觀測(cè)目標(biāo)

該研究提出的具體方案是：快速自轉(zhuǎn)的非球?qū)ΨQ中子星可以持續(xù)輻射準(zhǔn)單色引力波，伴隨地球運(yùn)動(dòng)，地面引力波探測(cè)器可在幾個(gè)月到幾年期間探測(cè)到連續(xù)引力波衍射或干涉的空間條紋。

“源、透鏡體和地球運(yùn)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?qū)ΨQ自轉(zhuǎn)中子星可以產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的單色波，因此能夠提供穩(wěn)定的干涉、衍射條紋。干涉、衍射振幅變化時(shí)間尺度遠(yuǎn)大于地球自轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度，因此能夠很好地區(qū)分。” 范錫龍解釋說(shuō)。

這項(xiàng)研究還詳細(xì)探討了這類事件的發(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(tuán)中也存在幾千個(gè)中子星。當(dāng)中子星、透鏡體和地球近似成一條線時(shí)就能發(fā)生引力透鏡效應(yīng)。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(cè)足夠多的中子星，就有希望探測(cè)到其微引力透鏡效應(yīng)。”范錫龍告訴科技日?qǐng)?bào)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?qū)ΨQ自轉(zhuǎn)中子星產(chǎn)生的單色引力波信號(hào)十分微弱，需要觀測(cè)幾個(gè)月時(shí)間并且要有優(yōu)良的算法提取信號(hào)。