【儀表網 研發快訊】近期，中國科學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，在高頻引力波探測方面提出了一種新的實驗方案。他們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的巨型探測器。研究成果表明，利用現有的衛星數據已經可以在廣泛的頻率范圍內對高頻引力波給出更強的限制。該成果已在《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. 132 (2024),131402)上發表。
激光干涉儀引力波天文臺的成功探測為我們觀測宇宙打開了一扇新窗口。這也推動了一系列正在進行和規劃中的項目，目標是探測頻率在十千赫茲以下的引力波信號。然而，遠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中產生，它們的探測將為探索超出標準模型的新物理提供關鍵線索。由于這些引力波的波長較短，激光干涉儀難以捕捉這類“高音”。一種探測方法是依賴逆格森施泰因效應 (Inverse Gertsenshtein effect)，通過這一機制，高頻引力波在磁場中轉換成光子以便探測。考慮強度大或空間分布廣的磁場，可以在一定程度上彌補引力耦合較弱的影響。現有提案已考慮了實驗室、致密星或星系內外等不同環境下的磁場，但這些方案的探測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系行星作為探測高頻引力波信號的實驗室，利用環繞行星的科學衛星探測引力波在行星磁層中轉換產生的信號光子。考慮天文觀測探測的電磁波段范圍，該方案能覆蓋較廣泛的引力波頻段，同時信號特征與波的性質及衛星的軌道軌跡緊密相關。與其他探測方案相比，此方案還具有磁場強度確定性高、引力波-光子轉換有效路徑長、信號通量角分布廣等優勢。研究結果表明，利用現有的低軌道地球衛星數據，行星磁層系統已經能夠在廣泛的頻率范圍內對高頻引力波給出更強的限制，覆蓋了大片之前未曾涉及的參數空間。研究還預測了未來更專門的探測任務可能達到的靈敏度。這些成果為創新探測方法奠定了基礎，也為我們探索宇宙的隱秘角落開辟了新視角。
該論文作者(按姓氏排序)為香港科技大學劉滔副教授、高能所任婧副研究員和香港科技大學博士后張晨。該項工作得到了香港研究資助局 (RGC)的合作研究項目(CRF)、中國科學院人才經費和國家自然科學基金委的支持。
圖：行星磁層系統探測高頻引力波示意圖(左)；低軌道地球衛星數據對隨機高頻引力波特征應變的95%置信水平上限(右)。
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