天文学家预言或存在会“二重唱”的新型引力波天体

近日，9159金沙申请大厅天文系的陈弦研究员和上海天文台的韩文标研究员合作发表论文，从天体物理动力学理论出发，阐释一类新的引力波天体的形成和演化过程。和此前已知的其他引力波源不同，这类新的天体同时辐射毫赫兹和百赫兹两种频率的引力波，因此可能被空间和地面引力波探测器同时观测到。该论文发表在2018年9月10日的《自然-通讯物理》上（Nature子刊《Communications Physics》）。原文网址：https://www.nature.com/articles/s42005-018-0053-0

爱因斯坦的广义相对论预言引力能够在时空中激起涟漪，并且这种“引力波”以光的速度传播。自2015年9月14日美国的激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，简称LIGO）首次探测到两个黑洞合并所激发的引力波后，引力波天文学立刻升级成为一门新兴的实测科学。目前LIGO和欧洲的另一台地面探测器Virgo协同观测，已经探测到了五起双黑洞并合事件和一起双中子星绕进事件。

传统的天体物理动力学理论预言：一个数百万倍太阳质量的超大质量黑洞和一个数十倍太阳质量的恒星级黑洞会形成“极端质量比旋进系统”，即extreme-mass-ratio inspiral，简称“EMRI”。这种系统会辐射0.001赫兹左右的低频引力波。这种引力波是未来的空间引力波探测器，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。

陈弦和韩文标的研究发现，EMRI系统中的“小家伙”其实可能是由两个恒星级黑洞组成的双星（binary）。他们把这种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”，即binary extreme-mass-ratio inspiral，简称“b-EMRI”（如图一所示）。

在文章中，陈弦和韩文标系统阐述了恒星级双黑洞如何被超大质量黑洞潮汐捕获（图二中i过程），又是如何旋进（inspiral）到超大质量黑洞几十倍视界半径处，从而可能被空间低频引力波探测器观测到（见图二中ii过程）。

这项工作的独到之处在于作者引入了先进的相对论三体数值模拟技术，用于追踪恒星级双黑洞在超大质量黑洞附近的动力学演化。因此他们发现两个恒星级黑洞有较高的概率并合，从而辐射地面天文台也能够探测到的高频引力波（见图二中iii过程）。

因为b-EMRI同时辐射低、高频两种引力波，就像高、低两声部同时进行演唱，所以作者形象的称之为“二重唱”引力波天体。未来联合地、空探测器寻找到这类天体，将有助于人们进一步理解引力波的产生、传播、以及强引力场所造成的多种非线性动力学过程。

该工作得到了北京大学“985工程”建设项目《星团环境对双黑洞形成演化过程的干扰以及对引力波探测的影响》的资助。