左侧为传统方法（假设月球为理想球体或一维分层球体），右侧为该研究建立的考虑地形起伏和内部非均匀的三维月球，背景场为引力波

一、引力波与月球的“共鸣”

往平静的湖面扔一颗石子，水面上会荡起水波涟漪。类似地，宇宙深处的两个黑洞发生碰撞合并，也会激发时空上的“涟漪”(图1)，这就是引力波。2015年，人类的引力波探测器首次捕捉到了这种信号，让人类第一次“听”到了来自宇宙深处的声音。然而，地面探测器受到多种震动的干扰，只能听到高频的引力波“尖叫”。为了听到更低沉（低频信号）更深处的宇宙心跳，科学家们正在构建宏大的太空引力波“捕网”，比如欧美的LISA计划，中国的“太极计划”和 “天琴计划”。简单来说，这些计划将在太空中构建一个完美的观测队形（通常是三角形），通过增加观测点之间的距离（一般可达数万公里）来放大引力波。当引力波经过时，时空会发生极其微小的拉伸或挤压，导致队形间的相对长度随之改变，从而被科学家捕捉到。

然而，在地面探测的高频和太空探测的低频之间，还存在一个关键的“空白频段”。 要填补这个缺失的“中音区”，大自然其实早已赐予了我们一个现成的、巨大的探测器——月球。由于月球上没有大气、海洋和人类活动等干扰，其环境更为安静，就像挂在太空中的一口完美的“大钟”，每当特定频率范围的引力波经过时，这口“大钟”就会被敲响，产生整体的共振 (图1)，发出更容易被仪器探测到的“嗡嗡”声，这为我们探测微弱的引力波提供了可能。学术界将月球称为“天然韦伯棒”，是在地外探测引力波的绝佳天体。

图1 月球对引力波响应原理示意：月球就像太空中的一口“大钟”，时刻聆听着引力波带来的时空涟漪

二、告别“理想球体”或“一维分层球体”，还原更加真实的月球

为了能把这个宏大的科学构想变成现实，科学家首先必须面对一个基本问题：当引力波到来时，月球到底会怎样震动？哪里放大效果最好？什么频段更容易被监测到？面对这些问题，传统分析方法遇到了“天花板”，原因在于，为了降低计算难度，以往研究往往把月球假设成一个“理想球体”或类似于球状“俄罗斯套娃”的“一维分层球体”(图2)，它的表面是光滑的，内部是均匀或分层均匀的。然而，现实中的月球哪有那么理想？它的“素颜”其实非常粗糙，表面密密麻麻更布满了数十万个大小不一的陨石坑，虽然月球半径才1700多公里，但是其最大地表高差却高达约20公里，这分明是个严重的“麻子脸”，完全谈不上光滑；除此以外，月球正面和背面的月壳厚度相差了近一倍，更不用说那个永久的巨大疤痕——南极-艾特肯盆地了。

这些真实存在的“内部非均匀性”和地表的“剧烈地形起伏”，会不会影响月球对引力波的反应？怎样影响？影响程度如何？如果按照“理想球体”或“俄罗斯套娃”的旧模型去“听”信号，会不会听错了，或者听漏了？这是未来精准探测必须解决的难题，关乎任务的成败。

图2 模型更新的示意图：从“理想球体”或“一维分层球体”假设，跨越到包含真实地形起伏的“三维全真模型”

三、技术突破：在计算机里造一个“真实月球”

针对这一难题，我国行星科学和天文学两个领域的青年学者（张磊、严涵、陈弦、张金海）大胆探索，跨界通力合作，在国际上率先实现了引力波的有限元模拟方法验证（张磊等, 2025）。最近，他们进一步将模型从前期的二维拓展到三维，首次把月球真实的“三维地形”和复杂的“内部非均匀结构”纳入到模型当中，实现了到目前为止最接近真实的月球引力波响应模拟(图3)。

这项研究突破了以往“理想球体”或“一维分层球体”的限制。通过与传统理论解的对比，新方法的计算误差极小（共振峰频率偏差小于3%），证明了采用的月球模型和模拟方法均是可靠的。模拟结果揭示了显著的“地形效应”：月球表面的剧烈起伏（如巨大的盆地构造）不再是可以忽略的背景，它们会对特定频率的引力波信号产生调制与放大作用。

图3 全月球尺度的三维谱元法模型和引力波响应的模拟结果 (修改自张磊等, 2026)。(a) 全球模型横截面展示了月球内部结构; (b) 不考虑月球地形（平坦模型）的位移振幅; (c) 考虑月球地形的位移振幅; (d) 地形效应引起的放大比值; (e~g) 同 (b~d)，不同的是(b~d)对应时间为t=64000 s; (e~g)对应时间为t=100000 s

四、未来展望：拿着地图去“选址”

这项研究不仅揭示了月球对引力波的响应规律和特征，更为未来的任务规划和着陆选址指明了方向。这意味着，如果我们要去月球上布设仪器探测引力波，绝不能随便找个地方，因为不同的地方差异非常大，远超我们以往的想象。研究团队还特意提供了一张“寻宝图”(图4)，告诉大家去哪里更容易探测到特定频段的引力波。受到计算条件的限制，目前的研究初步确认月球高地布设探测器更为有利，因为那里的月壳厚度有助于获得低频成分的放大效应（比如南极-艾特肯盆地边缘的高地；张磊等, 2025）。只有充分利用这些“地形红利”，避开信号死角，我们才能用月球这把“听诊器”，精准捕捉到宇宙最深处的心跳。

未来，还需要做更多的月球内部结构精细探测，看看浅层的更小尺度的非均匀性究竟有何影响，然后根据月球的实际情况做好更高频率成分的响应分析，只有这样才能确保月球引力波探测万无一失，找到最强的引力波“脉搏”和关键“穴位”。

图4 在月球探测引力波选址的示意图：利用月球内部非均匀结构和地形产生的信号“放大效应”，为未来的月球引力波探测器锁定最佳落点

研究成果发表Nature Index学术期刊PRD（张磊, 严涵, 张金海*，陈弦. Numerical simulation of lunar response to gravitational waves and its 3D topographic effect using the spectral-element method[J]. Physical Review D, 2025, 113: 023031. DOI: 10.1103/4rrr-w4tm.）。研究获得国家自然科学基金(42204178和12473037)，中国科学院重点部署项目 (ZDBS-SSW-TLC00104和KGFZD-145-23-15-2)，中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-202203和IGGCAS-202401)，国家重点研发计划项目(2024YFC2207300)的联合资助。