近期，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所理論物理室的任婧副研究員及其合作者，在高頻引力波探測(cè)方面提出了一種新的實(shí)驗(yàn)方案。他們建議利用具有磁層的太陽(yáng)系行星，如地球和木星等，作為探測(cè)高頻引力波信號(hào)的巨型探測(cè)器。研究成果表明，利用現(xiàn)有的衛(wèi)星數(shù)據(jù)已經(jīng)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。該成果已在《物理評(píng)論快報(bào)》（Phys. Rev. Lett. 132 (2024),131402）上發(fā)表。
激光干涉儀引力波天文臺(tái)的成功探測(cè)為我們觀測(cè)宇宙打開(kāi)了一扇新窗口。這也推動(dòng)了一系列正在進(jìn)行和規(guī)劃中的項(xiàng)目，目標(biāo)是探測(cè)頻率在十千赫茲以下的引力波信號(hào)。然而，遠(yuǎn)超出此頻率的高頻引力波也可能在宇宙早期或極端致密天體的劇烈活動(dòng)中產(chǎn)生，它們的探測(cè)將為探索超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理提供關(guān)鍵線索。由于這些引力波的波長(zhǎng)較短，激光干涉儀難以捕捉這類“高音”。一種探測(cè)方法是依賴逆格森施泰因效應(yīng) (Inverse Gertsenshtein effect)，通過(guò)這一機(jī)制，高頻引力波在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)換成光子以便探測(cè)?？紤]強(qiáng)度大或空間分布廣的磁場(chǎng)，可以在一定程度上彌補(bǔ)引力耦合較弱的影響?，F(xiàn)有提案已考慮了實(shí)驗(yàn)室、致密星或星系內(nèi)外等不同環(huán)境下的磁場(chǎng)，但這些方案的探測(cè)效果受到各方面因素的限制。
理論室任婧副研究員及合作者首次提出將太陽(yáng)系行星作為探測(cè)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(cè)引力波在行星磁層中轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的信號(hào)光子。考慮天文觀測(cè)探測(cè)的電磁波段范圍，該方案能覆蓋較廣泛的引力波頻段，同時(shí)信號(hào)特征與波的性質(zhì)及衛(wèi)星的軌道軌跡緊密相關(guān)。與其他探測(cè)方案相比，此方案還具有磁場(chǎng)強(qiáng)度確定性高、引力波-光子轉(zhuǎn)換有效路徑長(zhǎng)、信號(hào)通量角分布廣等優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果表明，利用現(xiàn)有的低軌道地球衛(wèi)星數(shù)據(jù)，行星磁層系統(tǒng)已經(jīng)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，覆蓋了大片之前未曾涉及的參數(shù)空間。研究還預(yù)測(cè)了未來(lái)更專門(mén)的探測(cè)任務(wù)可能達(dá)到的靈敏度。這些成果為創(chuàng)新探測(cè)方法奠定了基礎(chǔ)，也為我們探索宇宙的隱秘角落開(kāi)辟了新視角。
該論文作者（按姓氏排序）為香港科技大學(xué)劉滔副教授、高能所任婧副研究員和香港科技大學(xué)博士后張晨。該項(xiàng)工作得到了香港研究資助局?(RGC)的合作研究項(xiàng)目(CRF)、中國(guó)科學(xué)院人才經(jīng)費(fèi)和國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。
圖：行星磁層系統(tǒng)探測(cè)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）。
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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.131402
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