引力波真的是波吗？科学家想这样验证

自从几年前人类首次探测到引力波以来，在众所周知的引力波中又出现了一个重要成员。但是引力波真的是波吗？

为了理解这一问题，中国科学家和波兰西里西亚大学的研究人员联合开展了研究，并设计了一种观测策略，利用重力微透镜效应来验证引力波的波动性。这项研究最近发表在《美国天体物理学杂志》上。

为了进一步验证引力波的波动性

历史上，光的本质被描述为波或粒子。这两种观点分别被不同的实验所证实，因此在科学界有激烈的争论。最后，随着量子力学的建立，科学家们接受了波粒二象性。

那么引力波和光波有相同的特征吗？

自2015年以来，LIGO和处女座已经多次探测到引力波事件。

“引力波，像光一样，由波动方程描述，也应该具有波的特性，如衍射和干涉。然而，引力波的来源是天体，这意味着科学家很难在实验室里设计实验系统，比如测量光的波动。该研究的主要作者、武汉理工大学科学学院副教授廖凯说，这是设计和验证引力波波动观测策略的重要意义。

“迄今为止检测到的十几个双中子星合并已经验证了引力波的波动性。然而，这种验证是在同一个位置(地球)的波形相关验证. "该论文的作者、武汉大学物理科学与技术学院的特别研究员范锡龙表示，通过空间衍射和干涉条纹观测，可以直接验证光在历史上的易变性。作为类比，他们希望引力波也能探测到这种效应，以进一步验证其波动性。

重力微透镜效应派上了用场。

研究人员设计的观测策略利用了引力透镜效应，其原理是光或引力波将在大质量天体附近偏转，类似于几何光学的透镜效应。

"我们可以把像恒星或暗物质这样的透镜体看作衍射障碍."廖凯说，在引力透镜效应下，当波长相对于透镜体很小时，引力波和光波用几何近似来描述。当波长和透镜相当时，它们应该用波动来近似描述。当波长很长时，障碍物完全没有影响，重力直接通过。

当透镜的质量达到恒星级时，光学望远镜不足以区分这两幅图像。科学家称这种现象为重力微透镜。利用连续引力波源、透镜和地面引力波探测器也可以观察到引力波的重力微透镜效应。

范锡龙解释说，上述三者的相对运动是用来引起相对空间变化的。当透镜系统位置配置、引力波频率和透镜质量同时满足一定条件时，可以检测引力波的空间衍射或干涉条纹，从而验证引力波的波动性。

非球对称中子星是观测目标

本研究提出的具体方案是，快速旋转的非球对称中子星可以连续辐射准单色引力波。随着地球的运动，地面引力波探测器可以在几个月到几年内探测到连续引力波衍射或干涉的空间条纹。

“源、透镜和地球的运动使地球能够在衍射屏幕上经历不同的点，但这个过程需要几个月的时间。非球对称旋转中子星可以产生长期稳定的单色波，从而提供稳定的干涉和衍射条纹。干涉和衍射振幅变化的时间尺度比地球自转对应的时间尺度大得多，因此可以很好地区分。”范西龙解释道。

该研究还详细讨论了此类事件的发生率。廖凯说，银河系的核球中大约有10亿颗中子星，球状星团中有数千颗中子星。当中子星、透镜体和地球大致在一条直线上时，就会发生引力透镜效应。在不同的银河模型下，概率约为万分之一比百分之一。

“所以只要我们能探测到足够多的中子星，我们就有希望探测到引力微透镜效应。”范西龙告诉《科学日报》，整个过程存在不确定性，也就是说，中子星有多椭圆还不清楚。另外，非球对称旋转中子星产生的单色引力波信号非常微弱，需要几个月的观察和良好的算法来提取信号。