研究描述了探测高频引力波的挑战和机遇

江苏激光联盟导读：

研究描述了探测高频引力波的挑战和机遇。

电磁(EM)波和引力波是唯一可以在大尺度上研究宇宙的方法。几千年来，只有前者可以被使用，在古人基于可见光接收的肉眼天文观测中，或者在从无线电波到伽马射线的各种波段上运行的现代超级望远镜中。

gw的相干源的例子。来源：Nancy Aggarwal

引力效应可以从天体的相对运动中推断出来。第一次直接测量引力波是在2015年。它是由美国的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）和意大利的处女座探测器（Virgo detector）完成的。正如当时媒体所强调的，这一壮举为宇宙的研究打开了一扇全新的窗口。

迄今为止，人们只在10赫兹（10赫兹）到10千赫兹（104赫兹）的相对较窄的频率范围内探索了这个窗口。2019年大流行前在意大利的里雅斯特举行的一次面对面会议的重点是在更高频率（从兆赫（106赫兹）到千兆赫兹（109赫兹））探测引力波的挑战和机遇。

一篇关于研讨会讨论的评论和一篇关于这个主题的文献综述已经发表在《Living Reviews in Relativity》杂志上的一篇文章中。

在距离为20 Mpc时，沿极向1.35 ~ 1.35 M 合并的交叉极化的典型GW谱。

作者之一是巴西国家空间研究所（INPE）的高级研究员Odylio Denys de Aguiar。该倡议得到了FAPESP的支持，通过一项定期研究拨款和一个主题项目，Aguiar是该项目的主要研究者。

Aguiar说：“要在所考虑的光谱带内发射，高度致密的物质必须以极高的频率振荡。例如，直径不到一公里、质量小于太阳质量甚至地球质量的小黑洞就可能发生这种情况。”。

正如研究人员在文章中指出的，“目前还没有已知的天体物理物体，其体积小且密度大到足以以超过10 kHz的频率发射。因此，任何在更高频率下发现引力波的现象都将表明新的物理现象超出了粒子物理的标准模型，例如与奇异的天体物理物体（如原始黑洞或玻色子星）有关的物理现象。”或者是早期宇宙中的宇宙学事件，比如相变、[…]宇宙弦、再加热后的热涨落等。”

关于gw的随机源的例子。

任何探测都将证实、纠正或排除这些关于新物理学的理论公式。

当基于电磁波的观测超过光谱中的可见光部分，达到更高的频带时，天文学和宇宙学显著进步。类似地，探测频率超过10千赫（kHz）的引力波将打开宇宙的新窗口。

“特别是，它将使我们能够获得有关大爆炸和背景宇宙辐射发射之间的时间段的信息，这些辐射现在以微波的形式被捕获，”Aguia说。“在这段持续了近40万年的时间里，电磁辐射与物质的耦合非常强，以至于它无法自由传播。然而，引力波可以毫无阻碍地传播，现在形成了一个可以被探测到的背景。”

主要障碍是技术。“频率越高，波的振幅越小。这是因为，与电磁波谱一样，重力波谱也遵循幂律，作为负指数的频率函数，”Aguiar解释说。“换句话说，大自然在低频时更慷慨，这可以从网站上显示宇宙中天体物理和宇宙学源的预期振幅以及探测频率低于10 kHz的引力波的主要项目的灵敏度的图表中看出。”

在旋转的黑洞周围，EMRI的恒星组成部分紧随其后的轨道路径的短段。

本文中审查的各种提案都没有达到所需的敏感度。最多，它们的灵敏度可以降低六个数量级。然而，据引力波研究的重要先驱之一Kip Thorne和他的同学Charles Misner以及他们的博士生导师John Archibald Wheeler说，作者们还记得，不到50年前，人们认为激光干涉仪的灵敏度很低，以至于它们“没有什么实验意义”。Aguiar凭借LIGO激光干涉仪首次探测到引力波而获得2017年诺贝尔物理学奖。

根据Aguia的说法，探测高频引力波的技术解决方案不一定需要花费数十亿美元的项目，但必须具有开创性的创新。

来源Challenges and opportunities of gravitational-wave searches at MHzto GHz frequencies, Living Reviews in Relativity (2021). DOI:10.1007/s41114-021-00032-5

江苏激光联盟陈长军原创作品！