上海天文臺在黑洞微擾理論研究中取得突破

文章來(lái)源:上海天文臺  |  發(fā)布時(shí)間:2024-06-12  |  【打印】 【關(guān)閉

  

近日,中國科學(xué)院上海天文臺引力波研究團隊通過(guò)對黑洞微擾理論的研究發(fā)現了一種適用于任意天體物理環(huán)境和的極端質(zhì)量比旋進(jìn)系統的引力波計算方法,相關(guān)研究成果于2024年5月8日發(fā)表在《中國科學(xué)(英文版):物理、力學(xué)和天文學(xué)》(SCIENCE?CHINA:Physics,?Mechanics & Astronomy)上。

黑洞是宇宙中最神秘的天體之一,因為其極端的引力場(chǎng)和物理環(huán)境,使得它成為天然的極端物理實(shí)驗室,是檢驗引力理論、研究宇宙演化等的理想對象。當黑洞附近有一顆致密天體“路過(guò)”,或者黑洞吞噬了一些物質(zhì),這些天體或物質(zhì)會(huì )在黑洞周?chē)臅r(shí)空結構中產(chǎn)生擾動(dòng),進(jìn)而激發(fā)引力波,被稱(chēng)為“時(shí)空漣漪”(圖1)。黑洞微擾理論,是指科學(xué)家們從理論上研究黑洞被擾動(dòng)后所發(fā)出的引力波,獲取黑洞本身發(fā)出的“聲音”特征,是“聽(tīng)診”黑洞的基本理論依據。

圖1,黑洞受到擾動(dòng)后,對外輻射引力波

黑洞微擾理論被廣泛用于極端質(zhì)量比旋近系統(恒星級致密天體繞轉超大質(zhì)量黑洞)的引力波計算。但長(cháng)期以來(lái),由于作為攝動(dòng)源的致密天體的性質(zhì)和黑洞背景時(shí)空的耦合,使得計算非常復雜和低效。此前的研究中,為了簡(jiǎn)化計算,科學(xué)家們只能將恒星級致密天體假設為沒(méi)有大小和結構的點(diǎn)粒子且必須假設黑洞周?chē)钦婵窄h(huán)境。然而,現實(shí)情況卻是黑洞周?chē)嬖谖e盤(pán)和暗物質(zhì)粒子等,致密天體也具有復雜的結構,這些因素都使得計算變得非常復雜或者不可能實(shí)現。此外,以這種近似的假設條件參加計算的方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足未來(lái)高精度引力波探測需要。

為了解決這一困難,中國科學(xué)院上海天文臺引力波研究團隊通過(guò)細致研究微擾方程的性質(zhì),創(chuàng )造性地提出了一種新方法,徹底分離了擾動(dòng)源和黑洞背景時(shí)空,可用于計算致密天體具有任意內部結構和超大質(zhì)量黑洞周?chē)我猸h(huán)境的極端質(zhì)量比旋近系統的引力波。本次研究首次發(fā)現了微擾方程漸進(jìn)行為對于微擾源的線(xiàn)性性。利用這一性質(zhì),引力波作為微擾方程漸近解可以直接表述為微擾源的線(xiàn)性變換。論文第一作者、上海天文臺博士研究生江野表示:“這種新方法在理論上可以適用于最一般的情形,也就是黑洞周?chē)嬖谌我獾姆钦婵窄h(huán)境、致密天體存在自旋和結構圖等?!?/p>

除單個(gè)恒星級致密天體繞轉超大質(zhì)量黑洞之外,超大質(zhì)量黑洞有時(shí)也會(huì )吸引一對雙黑洞,這就構成了極端質(zhì)量比旋近雙星系統(圖2)。這種奇特的三體系統能夠同時(shí)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(shí)探測到,從而引起科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。不過(guò),如何計算這種極端質(zhì)量比旋近雙星系統的引力波信號,仍然存在一定的挑戰。針對這一問(wèn)題,上海天文臺團隊和中國科學(xué)院大學(xué)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,首次精確計算了極端質(zhì)量比旋近雙星系統的引力波。這類(lèi)系統的研究對星系核動(dòng)力學(xué)和檢驗引力理論都有重要意義。相關(guān)成果于2024年5月9日發(fā)表在國際期刊《歐洲物理學(xué)期刊C》(The European Physical Journal C,EPJC)上。

圖2,極端質(zhì)量比旋近雙星示意圖

論文通訊作者、上海天文臺韓文標研究員認為:“對黑洞微擾源和時(shí)空背景的分離,是對黑洞微擾論自提出以來(lái)形式上為數不多的重要發(fā)展。利用我們的方法,黑洞時(shí)空相關(guān)的量只需要計算一次即可,當攝動(dòng)源發(fā)生變化時(shí),只需要將源的參數和黑洞時(shí)空相關(guān)的量直接線(xiàn)性組合即可,這樣就可以處理復雜環(huán)境和復雜結構的微擾方程,同時(shí)大大提升了計算效率?!表n文標還指出,這一新方法將對極端質(zhì)量比旋近波形模板的構建很有幫助,有助于空間引力波探測器的數據分析。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1007/s11433-024-2366-5

https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-024-12841-3

科學(xué)聯(lián)系人:

韓文標,中國科學(xué)院上海天文臺,wbhan@shao.ac.cn