北京
地基激光干涉儀（如LIGO、Virgo、KAGRA）已實現高頻引力波的精準探測，天基激光干涉儀（如LISA、太極、天琴）正在向毫赫茲頻段進軍，而唯獨分赫茲（0.1 Hz）頻段仍是觀測盲區，這嚴重阻礙了人們對中等質量黑洞并合、超大質量黑洞種子形成及致密雙星旋近等關鍵天文事件的理解。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、大氣和海洋等環境干擾，背景噪聲遠低于地球，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，其月表高差達數十公里、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：當引力波經過時，月球真實地形和內部結構如何調制引力波？不同位置的放大倍數有何差異？哪里布設探測器最為有利？最有利的觀測頻段是多少？
針對上述問題，中國科學院地質與地球物理研究所張金海團隊聯合北京大學陳弦團隊，橫跨行星科學和天文學兩大領域，經過數年努力，在月球引力波響應數值模擬和分析方面取得了重要進展。他們建立了大規模譜元法月球引力波響應模擬方法，首次實現了天體引力波響應的純數值仿真，并將方法擴展到三維全球模型、納入天體真實地形起伏，突破了傳統方法長期以來無法準確評估天體引力波響應的技術瓶頸。在此基礎上，還構建了首個高精度月球引力波響應模型，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）。結果表明，月殼厚度是控制引力波放大倍數的主導因素（圖2），厚月殼高地呈現系統性的引力波放大效應（圖3），分赫茲頻段的放大倍數甚至可達數十倍（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(紫藍色)集中于遠月面，薄殼(橙紅色)集中于近月面與 SPA 盆地一側
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；(f) 經度–頻率放大率圖，在0.1 Hz附近的窄頻帶內出現顯著放大
圖3 全月面引力波信號放大率地圖。紫色為信號放大區，集中于遠月面厚殼高地；綠色為信號削弱區，集中于 SPA 盆地與近月面薄殼區域；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地形選址的認知直覺，揭示未來月基引力波探測器選址應以月殼厚度為首要依據。
研究成果發表于物理學旗艦期刊PRL（張磊#, 嚴涵#, 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基金（42325406和42204178）、國家重點研發計劃（2024YFC2207300）以及國家留學基金委（202506010256）等項目的聯合資助。
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