近日，英国上市365孙斯纯教授团队在新一代月基引力波探测器设计与性能评估研究方面取得重要进展。研究团队首次系统评估了月基引力波探测器CIGO（Crater Interferometry Gravitational-wave Observatory）在中频段引力波探测中的波源定位能力，并进一步提出适用于月基环境的TCIGO四面体构型方案，大幅提升了月基引力波天文台的全天空定位精度。相关成果以“The new generation lunar gravitational wave detectors: sky map resolution and joint analysis”为题，发表于Nature Portfolio旗下期刊《npj Space Exploration》。

引力波是由带质量物体的运动产生的时空涟漪。目前已观测到的引力波主要来自大质量天体（如黑洞、中子星）的剧烈运动或碰撞过程，其中蕴含着丰富的宇宙极端物理信息，被誉为"打开宇宙的新窗口"。1916年，爱因斯坦在广义相对论中首次预言了引力波的存在。直到2015年，激光干涉引力波天文台（LIGO）才首次直接探测到引力波信号——GW150914。该信号来源于两个恒星级黑洞在宇宙中相互绕转并最终并合的过程（见图1a），也标志着人类首次“听见”宇宙中的引力波声音。LIGO项目三位奠基人因此荣获2017年诺贝尔物理学奖（见图1b），人类由此正式进入引力波天文学时代。

图1 （a）恒星级黑洞并和  （b）2017年诺贝尔物理学奖

当前，以LIGO-Virgo-KAGRA为代表的地基引力波天文台，以及以LISA、天琴、太极计划为代表的天基引力波探测器（见图2），协同其他探测手段，正逐步构建起覆盖纳赫兹至千赫兹广阔频段的引力波探测网络（见图3），推动着人类对黑洞、中子星、宇宙起源等重大科学问题的探索。

图2（a）美国利弗斯通的Advanced-LIGO （b）天基引力波探测器星座示意图

图3 引力波频率分布及相应的探测方法

然而，在现有引力波探测体系中，0.1–10 Hz 的中频段长期缺乏高灵敏度探测能力（见图3标红频段）。这一频段不仅连接着地基与天基引力波探测的观测空白，还蕴含着极其丰富的物理过程，包括中等质量黑洞并合、超新星坍缩，以及超出标准模型的新物理信号（如早期宇宙相变、宇宙弦等，见图4）。因此，中频段引力波探测被国际学界普遍认为是下一代引力波天文学的重要发展方向。

图4（a）早期宇宙（一阶）相变 （b）宇宙弦产生引力波

然而，中频引力波的观测对探测器尺度提出了极高要求，通常需要百公里量级的激光臂长。这样的尺度对于现有地基与天基探测体系而言均面临巨大工程挑战。在此背景下，依托月球天然低噪声环境建设月基引力波探测器的构想应运而生，为突破中频段探测瓶颈提供了新的可能。

近年来，随着深空探测与月球基地建设构想的推进，国际上相继提出了多种月基引力波探测方案，旨在利用月球天然的高真空、超低温及低噪声环境，突破现有地基与天基探测器在0.1~5 Hz中频波段的观测空白。其中，GLOC（宇宙学引力波月球观测站）由美国范德堡大学的Karan Jani和哈佛大学的Abraham Loeb等人提出，计划在月表构建臂长达40 km的正三角形激光干涉仪（见图5a）；LGWA（月球引力波天线）由意大利格兰萨索科学研究所（GSSI）的Jan Harms主导提出，另辟蹊径地计划部署高灵敏度月震仪阵列，通过监测引力波激发的月球整体潮汐振动来间接探测信号；同样由意大利团队提出的LSGA（月球地震和重力天线）计划（见图5b），探索利用分布式光纤传感或“L”型激光干涉仪测量月震应变。

图5 （a）GLOC示意图 （b）LGWA任务探测器示意图

面对中频引力波探测这一国际前沿方向，中国科研团队在充分借鉴国际研究经验的基础上，结合我国月球科研站与深空探测的发展规划，积极布局月基引力波探测研究。其中，依托我国未来“嫦娥768计划”系列探月任务以及月球科研站建设背景，由紫微宇通创始人、前英国365集团教授张晓敏等数十位专家共同提出的CIGO（月球环形山激光干涉引力波天文台）方案，正逐渐成为国际月基引力波研究的重要方向之一。

CIGO计划（见图6a）旨在利用月球南极附近直径百公里级环形山，在环形山边缘建设激光干涉仪阵列，目标频段为10mHz–100Hz，灵敏度对标第三代引力波探测器。月球表面天然具备超高真空、低重力梯度扰动、低月震噪声以及长期稳定运行等优势，同时未来还具备设备维修与升级潜力，为建设长期运行的大科学装置提供了重要条件。该计划与我国未来月球科研站和深空探测战略高度契合，目前已吸引国内外数十家高校、科研院所及相关企业参与相关研究与论证，逐步形成我国月基引力波探测的重要研究平台。

图6. （a）CIGO 概念图  （b）CIGO噪声功率谱

在本项工作中，研究团队采用Fisher信息矩阵方法，对3600个均匀分布于全天空的引力波源进行模拟，计算了CIGO在0.1–10 Hz频段的角分辨率性能，并与现役代表性天基引力波探测器LISA和天琴进行了联合比较研究，系统评估了三个探测器在中频波段的波源定位能力。

研究结果表明：在2.87–10 Hz频段，CIGO的波源定位精度相比LISA与天琴提升约1至2个数量级，并在联合观测网络中贡献主要定位能力（见图7）。这意味着，未来月基引力波探测器有望成为中频段引力波天文学的核心设施之一。

研究还发现，由于探测器轨道方向性的影响，CIGO在特定天空区域会出现与天琴类似的方向性响应特征（见图8）。对此，研究团队借鉴天基引力波探测器中的四面体构型设想，提出适用于月基探测的TCIGO方案：在原有月球环形山边缘三站点基础上，于环形山底部增加第四个激光干涉节点，从而形成完整四面体干涉阵列（见图6a红线）。结果显示，TCIGO能够有效消除原有构型的 “探测精度下降区域”，整体角分辨率相比原始CIGO提升约5倍，显著提升了全天空方向上的定位均匀性与覆盖能力（见图9）。

图7. LISA、天琴、CIGO 及其联合观测的角分辨率 ΔΩ_S累计直方图

图8. LISA、天琴、CIGO 及其联合观测的角分辨率 ΔΩ_S天空图

此外，研究团队还以第三代引力波探测器Cosmic Explorer（CE1）的设计参数为基准，对月球环境中的噪声功率谱进行了系统评估。研究指出，尽管月球噪声环境远优于地球，但在0.1–2.87 Hz频段，低频月震噪声仍会显著影响探测器定位能力（见图6b）。这一结果表明，未来月基引力波探测仍需在低频隔振、热噪声抑制以及精密测量技术方面持续突破。

综上所述，月基引力波天文台CIGO是未来探测中频段引力波的重要方案。该研究首次系统评估了CIGO在中频段引力波探测中的天空定位能力，并提出了适用于月基环境的TCIGO四面体构型优化方案，为未来月基引力波天文台的构型设计、噪声优化以及多台址联合观测网络建设提供了重要理论参考。CIGO依托月球独特环境开展中频引力波探测，有望成为国际下一代引力波天文学的重要发展方向，也展现出我国在深空引力波探测领域开展前沿原创研究的潜力与优势。

图9. S1(四面体侧面)、CIGO、TCIGO角分辨率 ΔΩS天空图

英国上市365博士生张潇林为论文第一作者，英国365集团博后李明秋、孙斯纯教授为论文共同通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金青年项目支持，华中科技大学龚云贵教授与张超博士提供了重要技术支持。

参考文献：

[1] Zhang X, Yu C, Li H, et al. The new generation lunar gravitational wave detectors: sky map resolution and joint analysis[J]. npj Space Exploration, 2026, 2(1): 21.

[2] Niu J S, Wang Y Y, Bian X, et al. Lunar-based laser interferometer gravitational wave observatory[J]. Progress in Astronomy, 2024, 42: 203-223.

[3] Gong Y, Luo J, Wang B. Concepts and status of Chinese space gravitational wave detection projects[J]. Nature Astronomy, 2021, 5(9): 881-889.

[4] Kailan W U, Xuling L I N, Yongchao Z, et al. Progress and Prospect of the Lunar-Based Gravitational-Wave Detection[J]. Journal of Deep Space Exploration, 2023, 10(3): 247-256.