近期，中國科學(xué)院高能物理研究所理論物理室副研究員任婧聯(lián)合香港科技大學(xué)的科研人員，在高頻引力波探測方面提出了新的實(shí)驗(yàn)方案。該研究建議利用具有磁層的太陽系行星如地球和木星等，作為探測高頻引力波信號(hào)的巨型探測器。該研究發(fā)現(xiàn)通過現(xiàn)有的衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以在廣泛的頻率范圍內(nèi)對(duì)高頻引力波給出更強(qiáng)的限制。

此前，激光干涉儀引力波天文臺(tái)探測到引力波，這推動(dòng)了探測頻率在十千赫茲以下的引力波信號(hào)的項(xiàng)目的進(jìn)展。超出該頻率的高頻引力波可能在宇宙早期或極端致密天體的劇烈活動(dòng)中產(chǎn)生，而關(guān)于它們的探測將為探索超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理提供線索。這些引力波的波長較短，因此激光干涉儀難以捕捉到這類“高音”。研究發(fā)現(xiàn)，依賴逆格森施泰因效應(yīng)的探測方法，使高頻引力波在磁場中轉(zhuǎn)換成光子以便探測。這一轉(zhuǎn)換過程的效率受到引力波相互作用、磁場強(qiáng)度和傳播距離的影響。同時(shí)，強(qiáng)度大或空間分布廣的磁場可以在一定程度上彌補(bǔ)引力相互作用較弱的影響。現(xiàn)有提案考慮到實(shí)驗(yàn)室、致密星或星系內(nèi)外等不同環(huán)境下的磁場，但這些提案的探測效果受限。

該團(tuán)隊(duì)提出將太陽系行星作為探測高頻引力波信號(hào)的實(shí)驗(yàn)室，利用環(huán)繞行星的科學(xué)衛(wèi)星探測引力波在行星磁層中轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號(hào)光子。考慮到天文觀測所涵蓋的電磁波段，該方案能夠探測到相同頻率的引力波轉(zhuǎn)換而成的光子信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)更廣泛引力波頻段的覆蓋。同時(shí)，信號(hào)光子的特征與引力波的性質(zhì)及衛(wèi)星的軌道軌跡相關(guān)。與其他探測方案相比，這一方案具有磁場強(qiáng)度確定性高、引力波-光子轉(zhuǎn)換有效路徑長、信號(hào)通量角分布廣等優(yōu)勢。研究表明，應(yīng)用現(xiàn)有的低軌道地球衛(wèi)星數(shù)據(jù)，行星磁層系統(tǒng)能夠在廣泛的頻率范圍內(nèi)對(duì)高頻引力波給出更強(qiáng)的限制，并覆蓋大片之前未涉及的參數(shù)空間。上述成果為創(chuàng)新探測方法奠定了基礎(chǔ)，也為探索宇宙的隱秘角落開辟了新視角。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國科學(xué)院和香港研究資助局的支持。

行星磁層系統(tǒng)探測高頻引力波示意圖（左）；低軌道地球衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)隨機(jī)高頻引力波特征應(yīng)變的95%置信水平上限（右）