北京
地基激光干涉仪（如LIGO、Virgo、KAGRA）已实现高频引力波的精准探测，天基激光干涉仪（如LISA、太极、天琴）正在向毫赫兹频段进军，而唯独分赫兹（0.1 Hz）频段仍是观测盲区，这严重阻碍了人们对中等质量黑洞并合、超大质量黑洞种子形成及致密双星旋近等关键天文事件的理解。月球是一个天然的引力波放大器，其本征频率恰好可覆盖分赫兹频段，因此，月基引力波观测的概念和方案层出不穷（如LGWA和LILA等）；此外，月球不受人类活动、大气和海洋等环境干扰，背景噪声远低于地球，对引力波探测非常有利。然而，月球并非一个理想的均匀弹性体，其月表高差达数十公里、月壳厚度起伏不均，这些条件究竟如何影响月球作为“韦伯棒”的贡献尚不清楚。换而言之，要把月球真正用作引力波天线，必须首先回答：当引力波经过时，月球真实地形和内部结构如何调制引力波？不同位置的放大倍数有何差异？哪里布设探测器最为有利？最有利的观测频段是多少？
针对上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所张金海团队联合北京大学陈弦团队，横跨行星科学和天文学两大领域，经过数年努力，在月球引力波响应数值模拟和分析方面取得了重要进展。他们建立了大规模谱元法月球引力波响应模拟方法，首次实现了天体引力波响应的纯数值仿真，并将方法扩展到三维全球模型、纳入天体真实地形起伏，突破了传统方法长期以来无法准确评估天体引力波响应的技术瓶颈。在此基础上，还构建了首个高精度月球引力波响应模型，充分考虑了月壳厚度横向变化与表面地形剧烈起伏带来的影响（图1）。结果表明，月壳厚度是控制引力波放大倍数的主导因素（图2），厚月壳高地呈现系统性的引力波放大效应（图3），分赫兹频段的放大倍数甚至可达数十倍（图2）。
图1 (a) GRAIL月壳厚度模型，黑线为本研究采用的大圆剖面，黄色三角为阿波罗月震仪位置，黄色与绿色五角星分别为嫦娥七号和FSS候选着陆点；(b) 月壳厚度等值线(球谐展开的低阶次)显示远月面高地厚壳与 SPA 盆地薄壳的强烈反差；(c) 沿剖面的月壳横切面视图——厚壳(紫蓝色)集中于远月面，薄壳(橙红色)集中于近月面与 SPA 盆地一侧
图2 (a-b)t= 200 s时刻波场快照——(a) 无地形对照模型、(b) 含真实地形与月壳厚度变化模型；(c-d)t= 2000 s时刻波场快照——(c) 无地形对照模型、(d) 含真实地形与月壳厚度变化模型；(e) 沿剖面的能量放大率(红线)与月壳厚度(黑线)高度正相关；(f) 经度–频率放大率图，在0.1 Hz附近的窄频带内出现显著放大
图3 全月面引力波信号放大率地图。紫色为信号放大区，集中于远月面厚壳高地；绿色为信号削弱区，集中于 SPA 盆地与近月面薄壳区域；放大率分布与月壳厚度等值线(黑线，单位：km)高度吻合
该研究首次将高分辨率大规模谱元模拟与三维简正模耦合微扰理论纳入同一计算框架，二者在低频段给出的放大模式高度一致，形成相互独立、可交叉验证的两套方法。研究颠覆了以往依据地形选址的认知直觉，揭示未来月基引力波探测器选址应以月壳厚度为首要依据。
研究成果发表于物理学旗舰期刊PRL（张磊#, 严涵#, 陈弦*, 张金海*. Thick Lunar Crust Amplifies Deci-Hertz Gravitational-Wave Signal[J].Physical Review Letters, 2026. DOI:10.1103/d9jf-gxk5.）。研究得到国家自然科学基金（42325406和42204178）、国家重点研发计划（2024YFC2207300）以及国家留学基金委（202506010256）等项目的联合资助。
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