PRL：月球能放大引力波，月殼越厚效果越好！

地基激光干涉儀（如LIGO、Virgo、KAGRA）已實現(xiàn)高頻引力波的精準(zhǔn)探測，天基激光干涉儀（如LISA、太極、天琴）正在向毫赫茲頻段進(jìn)軍，而唯獨分赫茲（0.1 Hz）頻段仍是觀測盲區(qū)，這嚴(yán)重阻礙了人們對中等質(zhì)量黑洞并合、超大質(zhì)量黑洞種子形成及致密雙星旋近等關(guān)鍵天文事件的理解。月球是一個天然的引力波放大器，其本征頻率恰好可覆蓋分赫茲頻段，因此，月基引力波觀測的概念和方案層出不窮（如LGWA和LILA等）；此外，月球不受人類活動、大氣和海洋等環(huán)境干擾，背景噪聲遠(yuǎn)低于地球，對引力波探測非常有利。然而，月球并非一個理想的均勻彈性體，其月表高差達(dá)數(shù)十公里、月殼厚度起伏不均，這些條件究竟如何影響月球作為“韋伯棒”的貢獻(xiàn)尚不清楚。換而言之，要把月球真正用作引力波天線，必須首先回答：當(dāng)引力波經(jīng)過時，月球真實地形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何調(diào)制引力波？不同位置的放大倍數(shù)有何差異？哪里布設(shè)探測器最為有利？最有利的觀測頻段是多少？

針對上述問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所張金海團隊聯(lián)合北京大學(xué)陳弦團隊，橫跨行星科學(xué)和天文學(xué)兩大領(lǐng)域，經(jīng)過數(shù)年努力，在月球引力波響應(yīng)數(shù)值模擬和分析方面取得了重要進(jìn)展。他們建立了大規(guī)模譜元法月球引力波響應(yīng)模擬方法，首次實現(xiàn)了天體引力波響應(yīng)的純數(shù)值仿真，并將方法擴展到三維全球模型、納入天體真實地形起伏，突破了傳統(tǒng)方法長期以來無法準(zhǔn)確評估天體引力波響應(yīng)的技術(shù)瓶頸。在此基礎(chǔ)上，還構(gòu)建了首個高精度月球引力波響應(yīng)模型，充分考慮了月殼厚度橫向變化與表面地形劇烈起伏帶來的影響（圖1）。結(jié)果表明，月殼厚度是控制引力波放大倍數(shù)的主導(dǎo)因素（圖2），厚月殼高地呈現(xiàn)系統(tǒng)性的引力波放大效應(yīng)（圖3），分赫茲頻段的放大倍數(shù)甚至可達(dá)數(shù)十倍（圖2）。

圖1 (a) GRAIL月殼厚度模型，黑線為本研究采用的大圓剖面，黃色三角為阿波羅月震儀位置，黃色與綠色五角星分別為嫦娥七號和FSS候選著陸點；(b) 月殼厚度等值線(球諧展開的低階次)顯示遠(yuǎn)月面高地厚殼與 SPA 盆地薄殼的強烈反差；(c) 沿剖面的月殼橫切面視圖——厚殼(紫藍(lán)色)集中于遠(yuǎn)月面，薄殼(橙紅色)集中于近月面與 SPA 盆地一側(cè)

圖2 (a-b)t= 200 s時刻波場快照——(a) 無地形對照模型、(b) 含真實地形與月殼厚度變化模型；(c-d)t= 2000 s時刻波場快照——(c) 無地形對照模型、(d) 含真實地形與月殼厚度變化模型；(e) 沿剖面的能量放大率(紅線)與月殼厚度(黑線)高度正相關(guān)；(f) 經(jīng)度–頻率放大率圖，在0.1 Hz附近的窄頻帶內(nèi)出現(xiàn)顯著放大

圖3 全月面引力波信號放大率地圖。紫色為信號放大區(qū)，集中于遠(yuǎn)月面厚殼高地；綠色為信號削弱區(qū)，集中于 SPA 盆地與近月面薄殼區(qū)域；放大率分布與月殼厚度等值線(黑線，單位：km)高度吻合

該研究首次將高分辨率大規(guī)模譜元模擬與三維簡正模耦合微擾理論納入同一計算框架，二者在低頻段給出的放大模式高度一致，形成相互獨立、可交叉驗證的兩套方法。研究顛覆了以往依據(jù)地形選址的認(rèn)知直覺，揭示未來月基引力波探測器選址應(yīng)以月殼厚度為首要依據(jù)。

研究成果發(fā)表于物理學(xué)旗艦期刊PRL（張磊#, 嚴(yán)涵#, 陳弦*, 張金海*. Thick Lunar Crust Amplifies Deci-Hertz Gravitational-Wave Signal[J].Physical Review Letters, 2026. DOI:10.1103/d9jf-gxk5.）。研究得到國家自然科學(xué)基金（42325406和42204178）、國家重點研發(fā)計劃（2024YFC2207300）以及國家留學(xué)基金委（202506010256）等項目的聯(lián)合資助。