黑洞微擾理論研究取得進展

　　近日，中國科學院上海天文臺引力波研究團隊通過對黑洞微擾理論的研究，發現了適用于任意天體物理環境和極端質量比旋近系統的引力波計算方法。相關成果發表在《中國科學：物理、力學和天文學（英文版）》上。

　　黑洞微擾理論被廣泛用于極端質量比旋近系統的引力波計算。由于作為攝動源的致密天體的性質和黑洞背景時空的耦合，使得計算變得復雜而低效。既往研究中，為了簡化計算，科學家只能將恒星級致密天體假設為沒有大小和結構的點粒子并必須假設黑洞周圍是真空環境。然而，現實情況卻是黑洞周圍存在吸積盤和暗物質粒子等，致密天體也具有復雜的結構，這使計算變得復雜或不可能實現。此外，以這種近似的假設條件參加計算的方法已不能滿足未來高精度引力波探測需要。

　　上海天文臺通過研究微擾方程的性質，創造性地提出了新方法。該方法徹底分離了擾動源和黑洞背景時空，可用于計算致密天體具有任意內部結構和超大質量黑洞周圍任意環境的極端質量比旋近系統的引力波。該研究發現了微擾方程漸進行為對于微擾源的線性的性質。利用這一性質，引力波作為微擾方程漸近解可以直接表述為微擾源的線性變換。

　　除單個恒星級致密天體繞轉超大質量黑洞外，超大質量黑洞有時會吸引一對雙黑洞，這構成了極端質量比旋近雙星系統。這種奇特的三體系統能夠同時向外輻射低頻和高頻的引力波。這些低頻和高頻的引力波能夠被地面和空間的引力波探測器同時探測到，引起了科學家的關注。然而，如何計算這種極端質量比旋近雙星系統的引力波信號存在挑戰性。針對這一問題，上海天文臺和中國科學院大學吳岳良院士團隊合作，將雙黑洞視為帶有復雜內部結構的單體，計算了極端質量比旋近雙星系統的引力波。這對星系核動力學和檢驗引力理論均有積極意義。相關成果發表在《歐洲物理學期刊C》（The European Physical Journal C）上。