黃鴻勇，巫玉霞，黃慧嫻，鄧東媛，陳懷寬，陳榮城

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000）

引力波是由時(shí)空彎曲中的漣漪產(chǎn)生的，以波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量[1]。愛因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在，引力波幾乎能夠不受阻擋地穿過途經(jīng)的絕大多數(shù)物質(zhì)，因而帶有從未被觀測(cè)過的更多的天文現(xiàn)象信息[3]。雖然人類提出使用測(cè)量速度的方法替代傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀進(jìn)行的引力波位置測(cè)量[4]，但現(xiàn)有的引力波激光干涉儀里最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)就是邁克爾遜干涉儀[5]。總體上說，現(xiàn)有的引力波探測(cè)分為地面和空間兩種方式[6]。正在建造或運(yùn)作中的地面干涉儀有法國(guó)和意大利合作建造的處女座干涉儀（VIRGO）（臂長(zhǎng)3 000 m）、德國(guó)和英國(guó)合作的GEO600（臂長(zhǎng)600 m）以及日本正在建造中的神岡引力波探測(cè)器（KAGRA）（臂長(zhǎng)3 000 m）等。探測(cè)器總體上都是較為龐大，造價(jià)不菲，這主要是因?yàn)樘綔y(cè)的基本原理是邁克爾遜干涉原理。20世紀(jì)60年代，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）設(shè)計(jì)一種棒狀引力波探測(cè)器，是最早的一種引力波探測(cè)器，也稱作韋伯棒（Weber bar）。它的體型和造價(jià)都較為適合，但是容易受到地震、空氣振動(dòng)、溫度和濕度變化、空氣分子布朗運(yùn)動(dòng)的干擾[7]。

光與金屬相互作用會(huì)產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，如表面等離子體（Surface Plasmons，SPs）和誘導(dǎo)吸收等[8]。引力波所攜帶的引力輻射能力可以類比為電磁波攜帶的能力，對(duì)金屬同樣會(huì)產(chǎn)生上述奇異的現(xiàn)象。本文以引力輻射能力對(duì)納米金屬產(chǎn)生的奇異現(xiàn)象為機(jī)理，并定義為納米金屬誘導(dǎo)吸收引力波探測(cè)技術(shù)，進(jìn)而研究基于納米金屬誘導(dǎo)吸收技術(shù)的引力波探測(cè)，包括引力波能量探測(cè)、頻率探測(cè)和位置探測(cè)。

1 引力波納米金屬誘導(dǎo)吸收模型與機(jī)理

本文以銀納米顆粒作為誘導(dǎo)吸收材料，上下均由石墨烯/二氧化硅/石墨烯形成類電容板結(jié)構(gòu)，這個(gè)探測(cè)膜簡(jiǎn)稱GSGAGSG膜。當(dāng)引力波經(jīng)過模型時(shí)，其帶有的引力輻射能力使得銀產(chǎn)生誘導(dǎo)共振效應(yīng)，進(jìn)而改變內(nèi)部電荷分布。這一電荷分布雖然微小，但是在微納級(jí)別的類電容中必將形成電流信號(hào)變化。引力波誘導(dǎo)吸收機(jī)理與納米金屬對(duì)電磁波的誘導(dǎo)吸收機(jī)理相似，根據(jù)模型特點(diǎn)，滿足Mie模型。

2 探測(cè)器模型及其探測(cè)分析

為了得到引力波的具體參數(shù)，包括頻率、能量和位置，本文將引力波納米金屬誘導(dǎo)吸收模型分布在正十二面體，每個(gè)面均為面積相同的五邊形。每個(gè)面以二氧化硅隔開，即每個(gè)面均為以二氧化硅為邊圍起來的GSGAGSG膜。各個(gè)面的探測(cè)獨(dú)立接入，即外側(cè)面直接引出，內(nèi)側(cè)面通過邊的二氧化硅處引出，且12個(gè)面的內(nèi)側(cè)引出均不共線，避免干擾。電磁波和震動(dòng)等外界影響均為造成各個(gè)面信號(hào)的改變，因?yàn)殡姶挪ū旧頃?huì)造成類似于引力波的誘導(dǎo)吸收，震動(dòng)則會(huì)不同程度造成膜的結(jié)構(gòu)改變，使得信號(hào)發(fā)生變化。因而，必須將該探測(cè)裝置置于電磁屏蔽和免震動(dòng)條件下，引力波可以穿越天體而不受影響，這個(gè)處理正好將引力波信號(hào)和電磁信號(hào)分離。

任何物體都會(huì)發(fā)射引力波，引力波的能量大小與兩個(gè)天體的質(zhì)量有關(guān)，而且探測(cè)到的強(qiáng)度還和與發(fā)射物體的距離的平方成反比，這一能量與距離平方反比規(guī)律與電磁波的一模一樣。天體在合并時(shí)所輻射能量較強(qiáng)，其引力波也較強(qiáng)；天體正常運(yùn)行時(shí)所輻射能量較弱，其引力波也較弱，此時(shí)引力波更不容易被檢測(cè)、觀測(cè)到。所以現(xiàn)在探測(cè)到的都是天體發(fā)生劇變，如合并時(shí)產(chǎn)生的引力波。探測(cè)器各個(gè)面因?yàn)榫嚯x天體有微小的距離差別，誘導(dǎo)吸收的能量也有差別，這一差別在微納級(jí)別的探測(cè)膜上表現(xiàn)較為明顯。在直徑100 m的12面體的相鄰兩個(gè)面上由于引力波產(chǎn)生的電荷變化，遠(yuǎn)端面引起的電流密度變化為5.9×105，近端面引起的電流密度變化為7×105?？梢姡鶕?jù)探測(cè)引力波誘導(dǎo)吸收的最大頻率（探測(cè)器探測(cè)的最大能量）判定天體情況，由最大能量所處的12個(gè)面的哪個(gè)位置確定發(fā)生引力波天體所處的方位，而探測(cè)能量與天體合并該有的引力波能力比對(duì)得到引力波所處的距離。

3 分析與討論

本文展現(xiàn)出來的基于誘導(dǎo)吸收12面體引力波探測(cè)器可以根據(jù)頻率來判定產(chǎn)生引力波的天體情況（如大?。?，進(jìn)而計(jì)算出引力波初始能量值，再根據(jù)各個(gè)面探測(cè)的能量大小判定引力波產(chǎn)生的方位。但是由于整個(gè)探測(cè)器的膜結(jié)構(gòu)很難保證銀顆粒在每層里面、層與層之間和面與面之間保持一致，所以誘導(dǎo)吸收也會(huì)因?yàn)殂y顆粒大小而影響判定。雖然遠(yuǎn)端面引力波誘導(dǎo)吸收引起的電流密度變化應(yīng)該比近端的大，但是不至于差別在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)楦鶕?jù)能力與距離平方反比關(guān)系，它們之間的距離差和天體距離測(cè)試點(diǎn)的距離小之又小。二氧化硅顆粒不均勻性，包括每層里面、層與層之間和面與面之間的均勻性也會(huì)使得石墨烯膜起伏變動(dòng)不一，影響各個(gè)面的探測(cè)結(jié)果比對(duì)，甚至影響單個(gè)面誘導(dǎo)吸收值的一致性。石墨烯雖然是二維結(jié)構(gòu)，但是在制備或者轉(zhuǎn)移過程也會(huì)產(chǎn)生堆垛或者褶皺，那么石墨烯本身的一致性也會(huì)對(duì)各個(gè)面比對(duì)產(chǎn)生影響。

在實(shí)際探測(cè)時(shí)，必須進(jìn)行歸一化處理。因?yàn)殡姶挪ㄈ菀桩a(chǎn)生和識(shí)別，歸一化過程采用固定的電磁波對(duì)各個(gè)面在相同探測(cè)距離進(jìn)行能量歸一化處理，以產(chǎn)生誘導(dǎo)吸收信號(hào)最小的面作為1，其余面產(chǎn)生的誘導(dǎo)吸收相對(duì)能量作為各個(gè)面的歸一化系數(shù)。實(shí)際探測(cè)時(shí)，各個(gè)面探測(cè)值除以其歸一化系數(shù)即為該接收面探測(cè)的實(shí)際值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文沒有運(yùn)用邁克爾遜干涉原理，而是采用納米金屬的誘導(dǎo)吸收理論，將石墨烯、二氧化硅和納米銀顆粒形成GSGAGSG膜作為探測(cè)探頭，并以該膜層作為面構(gòu)建了正十二面體形成引力波探測(cè)器。該探測(cè)器以頻率和各個(gè)面的探測(cè)歸一化值展現(xiàn)引力波產(chǎn)生的天體情況，包括天體位置和質(zhì)量。雖然該技術(shù)還處于理論研究階段，但是其可操作性相比邁克爾遜干涉原理的“龐然大物”有著極大的優(yōu)勢(shì)，有望推動(dòng)引力波探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。