宇宙中的“二踢腳”——上海天文台在引力波理論研究中取得重要進展

文章來源:上海天文台  |  發布時間:2019-03-28  |  【打印】 【關閉

  

    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, 簡稱“EMRI”),並輻射低頻引力波,是空間引力波探測器最重要的探測目標之一。如果EMRI中的小家夥不是一個恒星級黑洞,而是兩個恒星級黑洞構成的系統呢?這便是北京大學的陳弦博士和上海天文台韓文標研究員于2018年提出的極端質量比雙旋進系統(binary-EMRI; b-EMRI)。近日,二人針對b-EMRI系統再次進行了深入探討,發現這種引力波源在黑洞天體物理和檢驗引力理論上的重要作用,他們提出的方法能精確測量b-EMRI系統經由引力波輻射而損失的質量和反沖速度,檢驗引力理論。該工作(論文1)已發表在《皇家學會天文月刊快報》(MNRAS Letter)。

    b-EMRI可以同時輻射低頻和高頻兩種引力波——恒星級雙黑洞被超大質量黑洞捕獲,不斷旋進著靠近超大質量黑洞,發出低頻引力波;而這兩個恒星級質量黑洞有一定概率並合,輻射出如LIGO的地面天文台探測到的高頻引力波(詳見論文2)。當時,論文2的第一作者陳弦將其稱之爲高低音二重奏,而論文2 的通訊作者韓文標將其比喻爲二踢腳 

  1 b-EMRI系统的示意圖,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。

 

    據最新工作MNRAS Letters論文的第一作者韓文標解釋,他們發現,由于這種系統有個非常有趣的現象,兩個小黑洞在繞轉超大質量過程中發生並合,導致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“二踢腳”。 

2:利用b-EMRI對雙黑洞並合時的質量損失和反沖速度的測量精度非常高。

    根据这种反冲现象,该工作提出了识别b-EMRI系統的方法,並且可以精確測量b-EMRI系統經由引力波輻射而損失的質量和反沖速度,對反沖速度的測量精度遠遠高于其它方法。

    在檢驗引力理論方面,該工作指出,b-EMRI的研究將能對引力子的質量作出限制,且限制精度比當前LIGO測量精度高出10倍以上。韓文標介紹:“有引力波,就對應有引力子。廣義相對論中,引力子是沒有質量的,引力波的運動速度就是真空中的光速。但有一些引力理論會給出有質量的引力子,這樣引力波的傳播速度就和其頻率有關。就像光在介質中傳播時,不同頻率的光傳播速度不同一樣,引力波的這種假想性質稱之爲色散。因此,如果b-EMRI同時輻射的高頻和低頻引力波同時抵達太陽系,那麽引力波色散就被排除;反之,則能對引力子的質量作出限制。” 

  論文1鏈接: 

  W-B-Han, X. Chen, MNRAS 485, L29–L33 (2019)

  論文2鏈接: 

  論文1http://www.nature.com/articles/s42005-018-0053-0 

  科學聯系人: 

  韩文标,中國科學院上海天文台,wbhan@shao.ac.cn

  陳弦,北京大學, chenxian@pku.edu.cn 

  新聞聯系人: 

  左文文,中國科學院上海天文台,wenwenzuo@shao.ac.cn 021-34775125