理論研究表明引力波源可能上演二重奏

　　近日，北京大學研究員陳弦和中國科學院上海天文臺研究員韓文標合作完成了一項理論研究，闡釋了一類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，他們新發現的波源能同時輻射低頻和高頻兩種引力波，就像高、低兩聲部同時進行演奏，因此可能被空間（LISA、太極、天琴等）和地面引力波探測器（LIGO、Virgo等）同時觀測到。該論文近期已被《自然》子刊《通訊物理》（Communications Physics）接收。

　　傳統的天體物理動力學理論預言超大質量黑洞（數百萬太陽質量）和一個恒星級黑洞（數十個太陽質量）會組成極端質量比旋進系統（extreme-mass-ratio inspiral，簡稱“EMRI”），并且輻射0.001赫茲左右的低頻引力波。這種引力波是空間引力波探測器，比如歐美的激光干涉空間天線（Laser Interferometer Space Antenna，簡稱“LISA”）和中國提出的“太極”、“天琴”等計劃，最重要的探測目標之一。

　　“但是，其實EMRI系統中的‘小家伙’也可能不是一個恒星級黑洞，而是由兩個恒星級黑洞組成的雙星”，論文的通訊作者韓文標介紹。他們的工作系統闡述了一個恒星級雙黑洞如何被超大質量黑洞捕獲，接著又如何不斷旋轉著靠近超大質量黑洞，并發出低頻引力波，從而可能被空間低頻引力波探測器觀測到。

　　這項工作的獨特之處在于作者引入了先進的相對論性三體數值模擬技術，用于追蹤恒星級雙黑洞在超大質量黑洞附近的演化，因此發現兩個恒星級黑洞有一定的概率并合，從而輻射出地面天文臺也能夠探測到的高頻引力波。

　　該工作將這種由恒星級雙黑洞和超大質量黑洞組成的三體系統稱作“雙星極端質量比旋進系統”（binary extreme-mass-ratio inspiral，簡稱“b-EMRI”）。由于b-EMRI同時輻射低頻和高頻兩種引力波，就像高、低兩聲部同時進行演奏，所以論文第一作者陳弦形象地稱之為“二重奏”引力波源。

　　這項研究結果很快得到LISA科學團隊的關注。在今年4月份德國漢諾威的LISA科學大會上，LISA天體物理組的主要負責人之一，英國伯明翰大學教授Sesena專門強調了b-EMRI系統的重要性。今年5月底揚州舉辦的中國引力和相對論天體物理年會上，中科院主導的空間引力波計劃太極項目在40分鐘特邀報告上同樣非常關注b-EMRI系統。

　　韓文標表示，“b-EMRI系統因其獨特的多波段觀測特性，一旦被觀測證實，將有助于人們進一步理解相對論性星團動力學、引力波的產生和傳播，以及強引力場中的多種非線性過程。”