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引力波理论研究获进展

文章来源:上海天文台   发布时间:2019-03-29  【字号:     】  

  理论预言,一个超大质量黑洞(数百万太阳质量)和一个恒星级黑洞(数十个太阳质量)会组成极端质量比旋进系统(extreme-mass-ratio inspiral, 简称“EMRI”),并辐射低频引力波,是空间引力波探测器最重要的探测目标之一。如果EMRI中的小家伙不是一个恒星级黑洞,而是两个恒星级黑洞构成的系统呢?这便是北京大学博士陈弦和中国科学院上海天文台研究员韩文标于2018年提出的极端质量比双旋进系统(binary-EMRI; b-EMRI)。近日,二人针对b-EMRI系统再次进行了深入探讨,发现这种引力波源在黑洞天体物理和检验引力理论上的重要作用,他们提出的方法能精确测量b-EMRI系统经由引力波辐射而损失的质量和反冲速度,检验引力理论。该工作已发表在《皇家学会天文月刊快报》(MNRAS Letter)。

  b-EMRI可以同时辐射低频和高频两种引力波——恒星级双黑洞被超大质量黑洞捕获,不断旋进着靠近超大质量黑洞,发出低频引力波;而这两个恒星级质量黑洞有一定概率并合,辐射出如LIGO的地面天文台探测到的高频引力波。当时,陈弦将其称之为高低音二重奏,而韩文标将其比喻为“二踢脚”。

  据最新工作MNRAS Letters 论文的第一作者韩文标解释,他们发现,由于这种系统有个非常有趣的现象,两个小黑洞在绕转超大质量过程中发生并合,导致5%左右的质量损失,而这种并合的产物(也是一个黑洞)会被引力波反冲,获得高达上千千米每秒的反冲速度。这就很像在天空中二次爆炸的“二踢脚”。

  根据这种反冲现象,该工作提出了识别b-EMRI系统的方法,并且可以精确测量b-EMRI系统经由引力波辐射而损失的质量和反冲速度,对反冲速度的测量精度远远高于其它方法。

  在检验引力理论方面,该工作指出,b-EMRI的研究将能对引力子的质量作出限制,且限制精度比当前LIGO测量精度高出10倍以上。韩文标介绍:“有引力波,就对应有引力子。广义相对论中,引力子是没有质量的,引力波的运动速度就是真空中的光速。但有一些引力理论会给出有质量的引力子,这样引力波的传播速度就和其频率有关。就像光在介质中传播时,不同频率的光传播速度不同一样,引力波的这种假想性质称之为色散。因此,如果b-EMRI同时辐射的高频和低频引力波同时抵达太阳系,那么引力波色散就被排除;反之,则能对引力子的质量作出限制。”

 

  图1:b-EMRI系统的示意图,恒星级双黑洞绕转超大质量黑洞,并在距离中心黑洞很近的距离并合。并合后的产物会获得一个反冲速度,可高达一千千米/秒。

 

图2:利用b-EMRI对双黑洞并合时的质量损失和反冲速度的测量精度非常高。




(责任编辑:叶瑞优)

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