理論研究顯示重力波源可能上演二重奏

北京大學的陳弦研究員和上海天文台的韓文標研究員合作完成了一項理論研究，闡釋了一類新的重力波源是如何形成和演化的。和此前已知的其它重力波源不同，他們新發現的波源能同時輻射低頻和高頻兩種重力波，就像高、低兩聲部同時進行演奏，因此可能被太空和地面重力波探測器同時觀測到。

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）和一個恆星級黑洞（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），並且輻射0.001 赫茲左右的低頻重力波。這種重力波是太空重力波探測器，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 系統中的小傢伙也可能不是一個恆星級黑洞，而是由兩個恆星級黑洞組成的雙星。一個恆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，並發出低頻重力波，從而可能被位於太空低頻重力波探測器觀測到。

這項工作的獨特之處在於研究人員引入了先進的相對論性三體數值模擬技術，用於追蹤恆星級雙黑洞在超大質量黑洞附近的演化，因此發現兩個恆星級黑洞有一定的概率並合，從而輻射出地面天文台也能夠探測到的高頻重力波。

這種由恆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 ）。由於b-EMRI 同時輻射低頻和高頻兩種重力波，就像高、低兩聲部同時進行演奏，所以稱之為二重奏重力波源。

【圖、文：節錄自中國科學院上海天文台網頁；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在已經出版的《通訊物理》期刊