理论研究表明引力波源可能上演二重奏

2018 年 9 月 11 日 中科院之声

近日，北京大学研究员陈弦和中国科学院上海天文台研究员韩文标合作完成了一项理论研究，阐释了一类新的引力波源是如何形成和演化的。和此前已知的其他引力波源不同，他们新发现的波源能同时辐射低频和高频两种引力波，就像高、低两声部同时进行演奏，因此可能被空间（LISA、太极、天琴等）和地面引力波探测器（LIGO、Virgo等）同时观测到。该论文近期已被《自然》子刊《通讯物理》（Communications Physics）接收。

传统的天体物理动力学理论预言超大质量黑洞（数百万太阳质量）和一个恒星级黑洞（数十个太阳质量）会组成极端质量比旋进系统（extreme-mass-ratio inspiral，简称“EMRI”），并且辐射0.001赫兹左右的低频引力波。这种引力波是空间引力波探测器，比如欧美的激光干涉空间天线（Laser Interferometer Space Antenna，简称“LISA”）和中国提出的“太极”、“天琴”等计划，最重要的探测目标之一。

“但是，其实EMRI系统中的‘小家伙’也可能不是一个恒星级黑洞，而是由两个恒星级黑洞组成的双星”，论文的通讯作者韩文标介绍。他们的工作系统阐述了一个恒星级双黑洞如何被超大质量黑洞捕获，接着又如何不断旋转着靠近超大质量黑洞，并发出低频引力波，从而可能被空间低频引力波探测器观测到。

这项工作的独特之处在于作者引入了先进的相对论性三体数值模拟技术，用于追踪恒星级双黑洞在超大质量黑洞附近的演化，因此发现两个恒星级黑洞有一定的概率并合，从而辐射出地面天文台也能够探测到的高频引力波。

该工作将这种由恒星级双黑洞和超大质量黑洞组成的三体系统称作“双星极端质量比旋进系统”（binary extreme-mass-ratio inspiral，简称“b-EMRI”）。由于b-EMRI同时辐射低频和高频两种引力波，就像高、低两声部同时进行演奏，所以论文第一作者陈弦形象地称之为“二重奏”引力波源。

这项研究结果很快得到LISA科学团队的关注。在今年4月份德国汉诺威的LISA科学大会上，LISA天体物理组的主要负责人之一，英国伯明翰大学教授Sesena专门强调了b-EMRI系统的重要性。今年5月底扬州举办的中国引力和相对论天体物理年会上，中科院主导的空间引力波计划太极项目在40分钟特邀报告上同样非常关注b-EMRI系统。

韩文标表示，“b-EMRI系统因其独特的多波段观测特性，一旦被观测证实，将有助于人们进一步理解相对论性星团动力学、引力波的产生和传播，以及强引力场中的多种非线性过程。”