天文學家預言或存在會“二重唱”的新型引力波天體

近日，beat365官方网站天文系的陳弦研究員和上海天文台的韓文标研究員合作發表論文，從天體物理動力學理論出發，闡釋一類新的引力波天體的形成和演化過程。和此前已知的其他引力波源不同，這類新的天體同時輻射毫赫茲和百赫茲兩種頻率的引力波，因此可能被空間和地面引力波探測器同時觀測到。該論文發表在2018年9月10日的《自然-通訊物理》上（Nature子刊《Communications Physics》）。原文網址：https://www.nature.com/articles/s42005-018-0053-0

愛因斯坦的廣義相對論預言引力能夠在時空中激起漣漪，并且這種“引力波”以光的速度傳播。自2015年9月14日美國的激光幹涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，簡稱LIGO）首次探測到兩個黑洞合并所激發的引力波後，引力波天文學立刻升級成為一門新興的實測科學。目前LIGO和歐洲的另一台地面探測器Virgo協同觀測，已經探測到了五起雙黑洞并合事件和一起雙中子星繞進事件。

傳統的天體物理動力學理論預言：一個數百萬倍太陽質量的超大質量黑洞和一個數十倍太陽質量的恒星級黑洞會形成“極端質量比旋進系統”，即extreme-mass-ratio inspiral，簡稱“EMRI”。這種系統會輻射0.001赫茲左右的低頻引力波。這種引力波是未來的空間引力波探測器，比如歐美的激光幹涉空間天線（Laser Interferometer Space Antenna，簡稱“LISA”）和中國提出的“太極”、“天琴”等計劃，最重要的探測目标之一。

陳弦和韓文标的研究發現，EMRI系統中的“小家夥”其實可能是由兩個恒星級黑洞組成的雙星（binary）。他們把這種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”，即binary extreme-mass-ratio inspiral，簡稱“b-EMRI”（如圖一所示）。

在文章中，陳弦和韓文标系統闡述了恒星級雙黑洞如何被超大質量黑洞潮汐捕獲（圖二中i過程），又是如何旋進（inspiral）到超大質量黑洞幾十倍視界半徑處，從而可能被空間低頻引力波探測器觀測到（見圖二中ii過程）。

這項工作的獨到之處在于作者引入了先進的相對論三體數值模拟技術，用于追蹤恒星級雙黑洞在超大質量黑洞附近的動力學演化。因此他們發現兩個恒星級黑洞有較高的概率并合，從而輻射地面天文台也能夠探測到的高頻引力波（見圖二中iii過程）。

因為b-EMRI同時輻射低、高頻兩種引力波，就像高、低兩聲部同時進行演唱，所以作者形象的稱之為“二重唱”引力波天體。未來聯合地、空探測器尋找到這類天體，将有助于人們進一步理解引力波的産生、傳播、以及強引力場所造成的多種非線性動力學過程。

該工作得到了beat365“985工程”建設項目《星團環境對雙黑洞形成演化過程的幹擾以及對引力波探測的影響》的資助。