近日，中国科学院上海天文台的引力波研究团队通过计算由进动直接产生的引力波，发现了自旋进动的黑洞双星除了发出LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉引力波天文台）已经探测到的、天文学家们已经熟知的旋近-并合-铃宕引力波外，还发出由于黑洞自旋进动直接辐射的引力波。相关研究成果于9月3日发表在《皇家天文学会月刊快报》（MNRAS Letter）上。

　　在爱因斯坦广义相对论中，引力波被认为是时空涟漪，即由弯曲时空的剧烈扰动产生，并以光速向外传播。其实在日常生活中，任何有质量的物体加速运动都会产生引力波，但非常微弱。然而双黑洞“跳舞”就不一样了，它们会把时空搅得天翻地覆，辐射出强度足以被人类探测到的引力波。如果把宇宙时空比作蹦床，把黑洞比作蹦床运动员，那么这些黑洞在宇宙这个大蹦床上通过互相绕转（旋近）、碰撞（并合）等方式蹦来跳去，就会扰动周围的时空，造成起伏和震动，这个过程中的巨大能量释放就会以引力波的形式传递出去。目前，双黑洞旋近并合发出的引力波能够被LIGO探测到（为排除环境信号干扰，LIGO是由分别位于相距3000千米的美国南海岸Livingston和美国西北海岸Hanford两个干涉仪组成，每一个都带有两个4千米长的臂并组成L型，需同时测到信号），对应经典的IMR（inspiral-merger-ringdown，旋近-并合-铃宕）波形^[1]。从波形上来看，就仿佛是这些双黑洞“手拉手”跳着交际舞，但“舞者”各自的晃动并不大。

　　但有时，双黑洞还会跳“广场舞”，也就是黑洞摇摆起来。这种手舞足蹈、摇头晃脑的现象，天文学家称之为“进动”，实际上是黑洞的自转轴在空间的指向快速周期性变化。上海天文台的引力波研究团队对热闹地跳起“广场舞”的双黑洞展开研究，通过计算由进动直接产生的引力波，发现“跳广场舞”的双黑洞——自旋进动的黑洞双星——除了发出LIGO已经探测到的、大家熟知的旋近-并合-铃宕引力波外，还发出由于黑洞自旋进动直接辐射的引力波。上海天文台引力波研究团队负责人韩文标研究员解释道：“单个黑洞可能很难出现自旋的进动，但是两个黑洞跳起‘广场舞’，就会出现著名的测地进动效应，进而导致自旋出现强烈的进动。”（图1）

图1，进动黑洞示意图（由开源软件Precessing制作）^[2]。

 

　　虽然两个黑洞的“广场舞”能够发出这种独特的引力波信号，但由于遥远的距离（目前LIGO探测到的双黑洞并合都在1亿光年以上^[3]），使得信号到达地球时已经非常微弱。论文第一作者、上海天文台特别研究助理张晨博士介绍道：“详细计算得出了进动本身辐射出的引力波波形，发现在双黑洞距离我们100Mpc（约3亿光年），质量相近且大于80太阳质量时，强烈进动产生的引力波特征强度可以强大到使LIGO观测的信噪比大于10的程度，也就是可以被观测到。这是一个好消息，意味着我们可以在LIGO的数据中搜寻这一独特信号。”研究团队发现，这种信号在接近并合时才会突然猛烈爆发，在频域也与IMR波形表现出明显不同的性质，因此可以把IMR波形当作两个黑洞“合跳”发出的信号，进动波形是黑洞自己同时摇摆时发出的信号。

　　“黑洞的本质是一个非常吸引人的重大科学问题。广义相对论要求黑洞无毛，不带电荷的情况下只有质量和自旋两个性质，而自旋进动发出的引力波完全由黑洞的质量分布决定。因此一旦我们探测到这种引力波，就能知道黑洞的质量分布是否和广义相对论预测的一致。这提供了一种通过引力波来研究黑洞本性的新思路。形象一点来说，如果黑洞跳起了‘广场舞’，那么它的本性就可能暴露了。”论文通讯作者韩文标研究员展望道，“本次研究的成果将为下一代引力波探测器对这一独特信号的观测潜力提供有力支撑，下一代探测器的优良性能使得探测这种独特的信号更加灵敏，将有助于了解黑洞的内在结构，从而揭示黑洞的本质并检验广义相对论。”

　　本项目由国家重点研发计划和国家自然科学基金支持。

 

 

参考文献：

[1] Buonanno A, Cook G B, Pretorius F. Inspiral, merger, and ring-down of equal-mass black-hole binaries[J]. Physical Review D, 2007, 75(12): 124018.

[2] https://vijayvarma392.github.io/binaryBHexp/

[3] https://www.ligo.org/detections/

 

科学联系人：

韩文标，中国科学院上海天文台研究员，wbhan@shao.ac.cn