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文章來源 科學(xué)網(wǎng) 2018/9/21 12:07:57 ?? 現(xiàn)代科學(xué)悟出的道理：你要會(huì)“種田”，你就必須不厭其煩地學(xué)跳“秧歌舞”。 ? ——收藏本文的一點(diǎn)體會(huì) ?? 宇宙中存在大大小小的黑洞，有的會(huì)彼此纏繞、碰撞，上演“大魚吃小魚”的戲碼。引力波的產(chǎn)生也與此有關(guān)，人類迄今探測到的引力波源頭，大多是兩個(gè)恒星級(jí)黑洞發(fā)生并合造成的。
以往的研究指出，能夠發(fā)生碰撞、并輻射出引力波的波源，往往是兩個(gè)黑洞在跳“雙人舞”。而兩名青年天文學(xué)家的最新研究顯示，引力波源也可能由“一大二小”三個(gè)黑洞組成。
今年9月，北京大學(xué)物理學(xué)院天文系助理教授陳弦和中科院上海天文臺(tái)研究員韓文標(biāo)在自然子刊《通訊物理》上發(fā)表了他們的研究成果。論文通過計(jì)算和模擬，闡釋了一種能夠同時(shí)輻射出高低兩種頻率的引力波源。
一山容二虎
以太陽質(zhì)量為衡量標(biāo)準(zhǔn)，宇宙中的大黑洞可達(dá)數(shù)百萬太陽質(zhì)量，被稱為超大質(zhì)量黑洞。小黑洞質(zhì)量可達(dá)數(shù)十個(gè)太陽，被稱為恒星級(jí)黑洞。
小黑洞圍繞大黑洞旋轉(zhuǎn)，就會(huì)輻射萬分之一到百分之一赫茲的低頻引力波。在天體物理學(xué)中，這樣的組合被稱為極端質(zhì)量比旋進(jìn)系統(tǒng)（extreme-mass-ratio inspiral，簡稱EMRI）。
韓文標(biāo)告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，大黑洞與小黑洞結(jié)成對(duì)子，還要經(jīng)歷一個(gè)捕獲過程。
“有的小黑洞不太幸運(yùn)，可能被宇宙中其他的黑洞'踢了一腳’，正好被撞到超大黑洞的捕獲區(qū)域里。這樣一大一小兩個(gè)黑洞就'跳起了舞’，并輻射引力波。隨著引力波的輻射，它們之間的距離越來越近，直到小黑洞被大黑洞吞噬，這個(gè)過程很漫長，可能要幾百萬年甚至上億年。”韓文標(biāo)說。
在陳弦與韓文標(biāo)的研究模型中，這種“不太幸運(yùn)”的小黑洞可能有兩個(gè)，而且這兩個(gè)小黑洞很早就已經(jīng)被引力束縛、繞轉(zhuǎn)。
兩個(gè)小黑洞作為一個(gè)整體，與超大質(zhì)量黑洞一起，跳起了“三人舞”，形成了極端質(zhì)量比旋進(jìn)雙星系統(tǒng)（binary extreme-mass-ratio inspiral，簡稱b-EMRI），
以往的研究認(rèn)為，兩個(gè)恒星級(jí)黑洞要么被大黑洞的潮汐作力拆散，要么在很早的時(shí)候就發(fā)生并合，很難在超大質(zhì)量黑洞的捕獲范圍內(nèi)長時(shí)間共生。
但兩位研究者通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，“一山”仍有可能容下“二虎”。兩個(gè)小黑洞作為一個(gè)互相吸引的整體，有可能在大黑洞的捕獲范圍內(nèi)存活相當(dāng)長的一段時(shí)間。
殊途同歸
以往研究認(rèn)為，小黑洞圍繞大黑洞形成的引力波源，只會(huì)輻射出毫赫茲頻率的引力波。但在b-EMRI系統(tǒng)中，事情沒這么簡單。
韓文標(biāo)表示，恒星級(jí)雙黑洞繞轉(zhuǎn)超大黑洞，輻射的是千分之一赫茲的低頻引力波。當(dāng)雙黑洞繞到大黑洞附近，受潮汐力影響會(huì)發(fā)生并合，從而輻射出幾十到數(shù)百赫茲的高頻引力波。
“也就是說同一個(gè)引力波源既能輻射低頻引力波，也能輻射高頻引力波。就像二重奏，有高和低兩個(gè)聲部?！标愊掖蛄藗€(gè)比方。
“與其說'看’，我們探測引力波更像是用耳朵聽聲音。因?yàn)闇y量的是震動(dòng)幅度，看時(shí)空扭曲的有多厲害”，陳弦表示。
因此，若能確定空間探測器識(shí)別到的低頻引力波，與地面探測器識(shí)別到的高頻引力波同時(shí)來自同一個(gè)位置，就能找到b-EMRI。
陳弦表示，現(xiàn)有技術(shù)條件下，人們利用地面探測器識(shí)別到的高頻引力波信號(hào)，其實(shí)是恒星級(jí)黑洞在合并的最后階段時(shí)發(fā)出的，因此持續(xù)時(shí)間非常短暫?！翱赡苤挥幸幻肷踔潦种幻搿保f。
而對(duì)黑洞并合之前的，持續(xù)時(shí)間長、頻率較低的引力波，現(xiàn)有的探測設(shè)備還無法識(shí)別到。也就是說，目前我們還無法真正聽到來自遙遠(yuǎn)宇宙的引力波“二重奏”。
再上新臺(tái)階
但想聽引力波“合唱”并非遙不可及。除了目前已經(jīng)觀測到引力波的地面探測器LIGO、Virgo外，計(jì)劃于2034年左右發(fā)射的空間探測器LISA，以及中國正在計(jì)劃的“太極”、“天琴”等空間探測項(xiàng)目能夠更好地排除地面震動(dòng)噪聲的干擾，在未來探測到宇宙中的低頻引力波。
事實(shí)上，在空間引力波探測器真正投入使用之前，就有不少科學(xué)家對(duì)b-EMRI系統(tǒng)很感興趣。
今年4月的LISA科學(xué)大會(huì)上，來自英國伯明翰大學(xué)、LISA天體物理組負(fù)責(zé)人Alberto Sesana在科學(xué)高光報(bào)告中討論了b-EMRI。5月底的中國物理學(xué)會(huì)引力與相對(duì)論天體物理分會(huì)上，中科院“空間太極計(jì)劃”報(bào)告者羅子人在特邀報(bào)告中也表示了對(duì)b-EMRI系統(tǒng)的關(guān)注。
兩位論文作者還表示，若能真的探測到b-EMRI系統(tǒng)輻射出的兩種頻率的引力波，會(huì)帶來豐富的物理和天文學(xué)信息，比如對(duì)引力波天體物理參數(shù)的測量會(huì)更精確。
除了研究星系動(dòng)力學(xué)外，還可以對(duì)黑洞并合后的引力反沖現(xiàn)象做進(jìn)一步研究。引力反沖速度、引力波攜帶的動(dòng)量以及黑洞并合造成的質(zhì)量損失等都可以被精確測量。
 圖示b-EMRI系統(tǒng)運(yùn)行的三個(gè)階段：1.兩個(gè)恒星級(jí)黑洞進(jìn)入超大質(zhì)量黑洞的捕獲范圍；2.受引力波影響，恒星級(jí)雙黑洞的運(yùn)行軌道逐漸圓化；3.超大質(zhì)量黑洞對(duì)恒星級(jí)黑洞的“控制力”增強(qiáng)，使其并合并發(fā)出高頻引力波（圖片來源：Communications Physics）。
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