引力波真的是波嗎？科學家有方法進一步驗證

自幾年前人類首次探測到引力波以來，公眾所熟知的“波”裡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裡西亞大學研究人員聯合開展研究，設計出利用微引力透鏡效應驗證引力波波動性的觀測策略，該研究於近日發表在美國《天體物理學雜誌》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。

那麽引力波是否也和光波具有同樣的特徵？

2015年以來，美國雷射干涉引力波天文台（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計實驗系統。”該研究第一作者、武漢理工大學理學院副教授廖愷說，設計驗證引力波波動性觀測策略的意義正在於此。

“目前已探測到的十幾次雙中子星並合事件已經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來進一步驗證其波動性。

微引力透鏡效應派上用場

科研人員設計的觀測策略利用了引力透鏡效應，其原理是光或引力波在大質量天體附近會發生偏折，類似於幾何光學的透鏡效應。

“我們可以把透鏡體例如恆星或暗物質看成衍射障礙物。”廖愷介紹，在引力透鏡效應下，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該由波動近似描述；當波長很長時，障礙物完全不產生影響，引力直接穿過。

當透鏡體質量為恆星量級時，光學望遠鏡不足以分辨兩個像，科學家把這種現象稱為微引力透鏡。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測引力波微引力透鏡效應。

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，在透鏡系統位置構型、引力波頻率和透鏡體質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。

非球對稱中子星是觀測目標

該研究提出的具體方案是：快速自轉的非球對稱中子星可以持續異塵餘生準單色引力波，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歷衍射屏上的不同點，但這個過程需要幾個月。非球對稱自轉中子星可以產生長時間穩定的單色波，因此能夠提供穩定的干涉、衍射條紋。干涉、衍射振幅變化時間尺度遠大於地球自轉對應的時間尺度，因此能夠很好地區分。” 范錫龍解釋說。

這項研究還詳細探討了這類事件的發生率。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，非球對稱自轉中子星產生的單色引力波信號十分微弱，需要觀測幾個月時間並且要有優良的算法提取信號。