引力波真的是波嗎？ 進一步驗證引力波的波動性

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，我國科學家與波蘭西里西亞大學研究人員聯(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《天體物理學雜志》上。

進一步驗證引力波的波動性

歷史上，光的本性被描述成波或粒子。這兩種觀點分別由不同的實驗證實，因此在科學界內(nèi)部存在激烈爭論。最終，隨著量子力學的建立，科學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，這意味著科學家難以像測量光的波動性一樣在實驗室設(shè)計實驗系統(tǒng)。”該研究第一作者、武漢理工大學理學院副教授廖愷說，設(shè)計驗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)驗證了引力波波動性。然而，這樣的驗證是在同一個地點(地球)波形依賴的驗證。”論文通訊作者、武漢大學物理科學與技術(shù)學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)來進一步驗證其波動性。

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;當波長和透鏡可以比擬時應(yīng)該由波動近似描述;當波長很長時，障礙物完全不產(chǎn)生影響，引力直接穿過。

當透鏡體質(zhì)量為恒星量級時，光學望遠鏡不足以分辨兩個像，科學家把這種現(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，從而驗證引力波的波動性。

非球?qū)ΨQ中子星是觀測目標

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)輻射準單色引力波，伴隨地球運動，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、透鏡體和地球運動使得地球能夠經(jīng)歷衍射屏上的不同點，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。

這項研究還詳細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，同時球狀星團中也存在幾千個中子星。當中子星、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。

關(guān)鍵詞： 引力波 波動性