自幾年前人類首次探測到引力波以來，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)合開展研究，設(shè)計出利用微引力透鏡效應(yīng)驗(yàn)證引力波波動性的觀測策略，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(yàn)證引力波的波動性

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，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，都由波動方程描述，也應(yīng)該具有衍射、干涉等波動性。但引力波的波源是天體，這意味著科學(xué)家難以像測量光的波動性一樣在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計實(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，設(shè)計驗(yàn)證引力波波動性觀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(yàn)證了引力波波動性。然而，這樣的驗(yàn)證是在同一個地點(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，歷史上光的波動性是通過空間衍射和干涉條紋觀測直接驗(yàn)證的，作為類比，他們希望引力波也能夠探測到這樣的效應(yīng)來進(jìn)一步驗(yàn)證其波動性。

微引力透鏡效應(yīng)派上用場

科研人員設(shè)計的觀測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)波長相對透鏡體很小時，引力波和光波一樣由幾何近似描述；當(dāng)波長和透鏡可以比擬時應(yīng)該由波動近似描述；當(dāng)波長很長時，障礙物完全不產(chǎn)生影響，引力直接穿過。

當(dāng)透鏡體質(zhì)量為恒星量級時，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡不足以分辨兩個像，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器也可以觀測引力波微引力透鏡效應(yīng)。

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

非球?qū)ΨQ中子星是觀測目標(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，地面引力波探測器可在幾個月到幾年期間探測到連續(xù)引力波衍射或干涉的空間條紋。

“源、透鏡體和地球運(yùn)動使得地球能夠經(jīng)歷衍射屏上的不同點(diǎn)，但這個過程需要幾個月。非球?qū)ΨQ自轉(zhuǎn)中子星可以產(chǎn)生長時間穩(wěn)定的單色波，因此能夠提供穩(wěn)定的干涉、衍射條紋。干涉、衍射振幅變化時間尺度遠(yuǎn)大于地球自轉(zhuǎn)對應(yīng)的時間尺度，因此能夠很好地區(qū)分。” 范錫龍解釋說。

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10億個中子星，同時球狀星團(tuán)中也存在幾千個中子星。當(dāng)中子星、透鏡體和地球近似成一條線時就能發(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(yīng)。”范錫龍告訴科技日報記者，在整個過程中存在一個不確定因素，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十分微弱，需要觀測幾個月時間并且要有優(yōu)良的算法提取信號。

(責(zé)編：劉婧婷、熊旭)