上海天文台等在椭圆双天体引力波辐射研究中获进展

两个黑洞（中子星）在强大引力的相互作用下相互绕转着靠近彼此，越转越快，直至最后发生碰撞并合。在不断靠近彼此的过程中，就已产生了引力波。理论预言，如果它们质量相当，在相互靠近的过程中，引力波的辐射不仅带走了能量，还能使得轨道从一个大椭圆较快地逐渐收缩到一个圆，到最后发出被LIGO探测到的高频强引力波信号时，轨道已经很圆了。

观测结果也确实如此，目前LIGO看到的引力波源都是质量相差不多的双天体在圆轨道上绕转形成的。但宇宙中天体的轨道，可以是任意的，它们的偏心率往往不是0，即它们往往不是圆轨道。双天体系统能既沿着椭圆轨道相互绕转又发出LIGO可探测到的高频引力波信号吗？如果可以，会是怎样的引力波信号？

近日，针对这个问题，中国科学院上海天文台副研究员韩文标参与的国内科研团队，在椭圆轨道引力波研究方面取得了阶段性进展，首次在LIGO的引力波模板计算方法框架内提出了一个可实用的椭圆轨道双天体引力波模板计算模型“SEOBNRE”，为最终探究一般轨道的引力波波形背后的天体物理提供了有价值的探索。进一步，韩文标带领的科研团队在另一项研究中发现，理论上椭圆轨道的情形能提高LIGO所能探测引力波的黑洞质量上限至中等质量黑洞，对LIGO探测中等质量黑洞，研究黑洞和星系的演化等问题具有重要意义。这两项工作分别发表在《物理学评论快报D辑》和《经典引力和量子引力》上。

1. 提出SEOBNRE模型：怎样的双天体系统在椭圆轨道情况下能产生LIGO可探测到的强引力波？

“理论上，如果双天体系统中两个天体的质量相差悬殊，或者形成机制是通过近距离的捕获，则它们的绕转轨道仍然是椭圆的。”韩文标进一步介绍，大质量比的双天体在靠近彼此的过程中，会辐射出引力波，但引力波带走的能量与系统能量相比很小，无法有效地使轨道更圆；大质量比双星的引力波辐射，就如用小勺子从大池塘里往外舀水，要想把池塘舀干，需要花很长的时间，甚至可能比宇宙年龄还要长。

怎样的大质量比双天体系统才能在椭圆轨道情况下产生足够强的引力波呢？“通过动力学捕获这样的机制形成的大质量比双星，做得到！”该工作的第一作者、北京师范大学教授曹周键给出这样回答，他进一步描述，“在密集的星团内部，在多个天体的引力作用下，某个倒霉鬼被其它的同伴“甩”到大质量黑洞附近。黑洞可不客气，迅速俘获了这个倒霉鬼，便形成一个大质量比双天体系统。这个倒霉鬼不断向黑洞靠近，最后被黑洞吃掉，倒霉鬼和黑洞相互绕转的轨道便是椭圆的，在椭圆轨道上相互靠近的过程会辐射出较强的引力波，能被LIGO探测到。”实际上，即使不是大质量比的双天体，而是相当质量比的双天体，如果双天体系统的形成源于近距离的捕获，那么也可能在椭圆轨道情况下辐射出足够强的引力波。

“基于这样的想法，我们在等效单体框架，也就是LIGO的引力波模板计算方法框架内，提出了椭圆轨道引力波计算的模型SEOBNRE，适用于椭率一般的椭圆轨道的任意质量比双天体系统，尤其对于质量比相当的双天体系统最佳。”韩文标说。

　　SEOBNRE模型和数值相对论结果比较，发现符合的相当好

2. 理论上展示LIGO能探测到的黑洞质量上限可以被提升

LIGO探测的是高频引力波，无法探测到频率低于10Hz的引力波信号。而质量越大的双天体系统，辐射的引力波频率就越低。因此，当质量大到一定程度时，其辐射的引力波LIGO就无法探测到。圆轨道情况下，该质量上限在1000个太阳质量左右，即天文学家很感兴趣的对象之一——中等质量黑洞。“也就是说，由中等质量黑洞构成的双天体在圆轨道情况下辐射出的引力波是LIGO无法探测到的。”韩文标介绍。

“我们发现，对中等质量比双天体系统——例如由一个恒星级的致密天体和中等质量黑洞构成的双天体系统来说，如果绕转轨道较椭，产生的高频引力波能被LIGO探测到。这就有效扩展了LIGO能看到的黑洞质量上限。”定量来看，椭圆轨道能够使得探测质量上限提升接近两倍。这对LIGO探测中等质量黑洞，研究黑洞和星系的演化等问题有很重要的意义。”

　　图中某一颜色的引力波信号曲线和蓝色的LIGO灵敏度曲线所围成的面积代表信噪比，可以看出轨道的偏心率越大，即轨道越椭，引力波的信噪比越高