近日，中国科学院高能物理研究所(IHEP)的高宇副研究员、徐伟研究员、张华桥研究员提出了一种创新的方法，利用高精度穆斯堡尔共振效应来实现引力波的探测。该项研究成果已发表在《科学通报》(2024年第69卷第18期)上。
“我们意识到局部引力场是能量校准的极佳工具，尤其在研究引力频移时具有特殊的优势，”高宇和张华桥解释道。该理念源于利用核技术探测引力波对光子能量位移的讨论。
现代粒子物理探测器具有卓越的空间和时间分辨率，能够实时监测穆斯堡尔共振的位置。论文中还提出了一种创新的探测器布局，探测器环绕激活的银源呈圆形排列，这种设计不仅提高了对引力波强度的灵敏度，还增强了对其传播方向和极化角度的探测能力。
“穆斯堡尔光谱学凭借其无与伦比的精度，已经成为多个研究领域的重要工具，” 高能物理研究所徐伟研究员表示，“结合新的探测方案，我们的目标是在现代实验室中实现这一构想。”
穆斯堡尔效应是指被晶格紧束缚的原子核发生无反冲发射和吸收X射线光子的现象。这一发现曾获得1961年诺贝尔物理学奖，以极高测量精度著称。穆斯堡尔效应最早用于著名的哈佛塔实验，测试引力红移，随后广泛应用于材料科学、化学等领域，最终发展成穆斯堡尔光谱学这一学科方向。
当引力波通过在本文中提出的静态穆斯堡尔装置时，它会引起穆斯堡尔光子的能量波动。在局部引力场的影响下，这些波动会导致共振点的垂直位移。由垂直位移引起的引力频移可以取代传统差分
穆斯堡尔光谱仪中的多普勒频移。对于自然丰度较高的银同位素109Ag，其相对线宽可达到10-22。这种方法通过实现10微米精度空间分辨观测穆斯堡尔共振，可达到极高的探测精度。研究人员的计算显示，通过对共振点的高空间分辨，可探测由时空振动引起的随时间变化的光子能量波动，捕获引力波传播方向和极化状态等关键物理特征，能够显著提高对引力波的灵敏度。
引力波是一种时空曲率的波动，是由爱因斯坦的广义相对论预言的一种现象。根据广义相对论，引力并不是一种传统意义上的力，而是由于质量和能量使得时空发生弯曲所导致的。引力波则是这种时空弯曲的动态变化，以波的形式在宇宙中传播。2015年，激光干涉引力波天文台(LIGO)首次直接探测到来自于两个黑洞合并事件的引力波，该项成果获得2017年诺贝尔物理学奖。
环绕在穆斯堡尔源相同距离 d 上的探测器能够感知穆斯堡尔共振点的垂直位移。在子图(右下角)中，探测器被放置在吸收层(红色表示)后面。该装置通过精确测量相应的光子通量来监测核共振峰的高度变化。
