这就是为什么我们应该在月球上建立引力波观测站

科学家在2015年探测到了第一个长期预测的引力波，从那时起，研究人员就一直渴望找到更好的探测器。但地球温暖且噪音大，这总是会限制地球探测器的有效性。

月球是建立新引力波观测站的合适地点吗?有可能。将望远镜送入太空效果很好，在月球上建立引力波天文台也可能有效，尽管这个提议显然非常复杂。

天文学的大部分内容都是关于光的。我们越能感知它，我们对自然的了解就越多。这就是哈勃望远镜和JWST等望远镜位于太空的原因。地球大气层会扭曲望远镜图像，甚至阻挡一些光线，例如红外线。太空望远镜解决了这两个问题，并彻底改变了天文学。

引力波不是光，但感知它们仍然需要极高的灵敏度。正如地球大气层会给望远镜观测带来“噪音”一样，地球的活动也会给引力波探测器带来问题。与我们充满活力、不断变化的星球相比，月球有一个很大的优势：它的活动要少得多。

从阿波罗时代起我们就知道月球有活动。但与地球不同的是，它的大部分活动都与潮汐力和微小陨石撞击有关。它的大部分活动也比地球的活动更弱、更深。这引起了开发月球引力波天线(LGWA)的研究人员的注意。

LGWA的开发人员撰写了一篇新论文“月球引力波天线：任务研究和科学案例”，并将其发布到arXiv预印本服务器上。主要作者是帕拉米斯瓦兰·阿吉斯(ParameswaranAjith)，他是印度班加罗尔塔塔基础研究所国际理论科学中心的物理学家/天体物理学家。Ajith也是LIGO科学合作组织的成员。

月球上的引力波观测站(GWO)将弥补频率覆盖范围的空白。

作者写道：“考虑到月球的大小以及月球背景产生的预期噪声，LGWA将能够观测到大约1mHz到1Hz的引力波。”“这将使LGWA成为峰值灵敏度约为几毫赫兹的LISA等星载探测器与爱因斯坦望远镜或宇宙探测器等未来地面探测器之间缺失的一环。”

如果建成，LGWA将由行星规模的探测器阵列组成。月球的独特条件将使LGWA能够为引力波科学打开一扇更大的窗户。月球的背景活动极低，作者将其描述为“沉默”。缺乏背景噪音将使探测更加灵敏。

月球的永久阴影区域(PSR)内的温度也极低。探测器必须过冷，而PSR中的低温使这项任务变得更容易。LGWA将由位于月球两极之一的PSR陨石坑中的四个探测器组成。

LGWA科学案例的图形摘要，包括电磁天文台的多信使研究以及星载和地面引力波探测器的多波段观测。图片来源：Ajith等人2024/LGWA

LGWA是一个雄心勃勃的想法，具有潜在的改变游戏规则的科学回报。当与跨电磁波谱观测的望远镜以及中微子和宇宙射线探测器(称为多信使天文学)相结合时，它可以增进我们对一系列宇宙事件的理解。

LGWA将具有一些独特的探测宇宙爆炸的能力。作者解释道：“只有LGWA才能观测到涉及WD(白矮星)的天体物理事件，例如潮汐破坏事件(TDE)和SNeIa。”他们还指出，只有LGWA才能提前几周甚至几个月向天文学家发出太阳质量致密双星(包括中子星)合并的警告。

LGWA还将能够探测早期宇宙中较轻的中等质量黑洞(IMBH)双星。IMBH在今天像我们这样的星系中心的超大质量黑洞(SMBH)的形成过程中发挥了重要作用。天体物理学家对黑洞以及它们如何演化有很多未解之谜，LGWA应该可以帮助回答其中一些问题。

我们银河系外的双白矮星(DWD)合并是LGWA单独能够感知到的另一件事。它们可用于测量哈勃常数。几十年来，科学家们对哈勃常数进行了更精确的测量，但仍然存在差异。

LGWA还将告诉我们更多有关月球的信息。它的观测将比以往更详细地揭示月球的内部结构。关于它的形成、历史和演化，还有很多科学家还不知道。LGWA的观测还将阐明月球的地质过程。

LGWA任务仍在制定中。在实施之前，科学家需要更多地了解他们计划将其放置在哪里。这就是初步试音任务的用武之地。

2023年，欧空局将Soundcheck选入其月球科学活动储备库。Soundcheck不仅将测量表面位移、磁波动和温度，而且还将是一项技术演示任务。“Soundcheck技术验证的重点是部署、惯性传感器力学和读数、热管理和平台调平，”作者解释道。

在天文学、天体物理学、宇宙学和相关科学事业中，我们似乎总是处于新发现和对宇宙以及我们如何融入宇宙的新理解的边缘。之所以看起来总是这样，是因为它是真的。人类在这方面做得越来越好，引力波科学的出现和繁荣证明了这一点，尽管我们才刚刚开始。距离科学家首次发现巨星还不到十年。

事情将走向何方?

作者在论文中写道：“尽管引力波科学已经有了完善的路线图，但重要的是要认识到，通过引力波对宇宙的探索仍处于起步阶段。”“除了预计对天体物理学和宇宙学产生的巨大影响之外，这个领域很有可能出现意想不到的基本发现。”

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