近期，中国科学院高能物理研究所理论物理室的任婧副研究员及其合作者，在高频引力波探测方面提出了一种新的实验方案。他们建议利用具有磁层的太阳系行星，如地球和木星等，作为探测高频引力波信号的巨型探测器。研究成果表明，利用现有的卫星数据已经可以在广泛的频率范围内对高频引力波给出更强的限制。该成果已在《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 132 (2024),131402）上发表。
激光干涉仪引力波天文台的成功探测为我们观测宇宙打开了一扇新窗口。这也推动了一系列正在进行和规划中的项目，目标是探测频率在十千赫兹以下的引力波信号。然而，远超出此频率的高频引力波也可能在宇宙早期或极端致密天体的剧烈活动中产生，它们的探测将为探索超出标准模型的新物理提供关键线索。由于这些引力波的波长较短，激光干涉仪难以捕捉这类“高音”。一种探测方法是依赖逆格森施泰因效应 (Inverse Gertsenshtein effect)，通过这一机制，高频引力波在磁场中转换成光子以便探测。考虑强度大或空间分布广的磁场，可以在一定程度上弥补引力耦合较弱的影响。现有提案已考虑了实验室、致密星或星系内外等不同环境下的磁场，但这些方案的探测效果受到各方面因素的限制。
理论室任婧副研究员及合作者首次提出将太阳系行星作为探测高频引力波信号的实验室，利用环绕行星的科学卫星探测引力波在行星磁层中转换产生的信号光子。考虑天文观测探测的电磁波段范围，该方案能覆盖较广泛的引力波频段，同时信号特征与波的性质及卫星的轨道轨迹紧密相关。与其他探测方案相比，此方案还具有磁场强度确定性高、引力波-光子转换有效路径长、信号通量角分布广等优势。研究结果表明，利用现有的低轨道地球卫星数据，行星磁层系统已经能够在广泛的频率范围内对高频引力波给出更强的限制，覆盖了大片之前未曾涉及的参数空间。研究还预测了未来更专门的探测任务可能达到的灵敏度。这些成果为创新探测方法奠定了基础，也为我们探索宇宙的隐秘角落开辟了新视角。
该论文作者（按姓氏排序）为香港科技大学刘滔副教授、高能所任婧副研究员和香港科技大学博士后张晨。该项工作得到了香港研究资助局 (RGC)的合作研究项目(CRF)、中国科学院人才经费和国家自然科学基金委的支持。
图：行星磁层系统探测高频引力波示意图（左）；低轨道地球卫星数据对随机高频引力波特征应变的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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