三體系統製造的引力波什麼樣？高低聲二重奏

引力波，曾是愛因斯坦在1916年發表的廣義相對論的一項重要預言——大意是指，有質量的物體，會使它周圍的時空發生扭曲，在空間中發出類似水波一樣的「漣漪」。

黑洞相互旋轉產生引力波

而由於技術和觀測手段所限，引力波在一百年來都只停留在理論層面。直到2016年初，引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）首次公布了來自銀河系外合併的雙黑洞系統的引力輻射。這一發現將愛因斯坦引力波的理論從預言變為了實證，也開啟了引力波天文學新時代。

黑洞相互旋轉，產生引力波

而在這之後，更多的「引力波事件」被觀測和證實——科學家們先後發現了五次雙黑洞併合和一次雙中子星併合事件。

LIGO檢測到的來自黑洞合併發出的引力波 | LIGO

類似兩掌相擊只能發出一聲，兩個黑洞（或兩個中子星）參與的碰撞事件也只能發出一個信號。與此同時，引力波源發出的信號（啁啾信號）有一個鮮明的特點：它們的頻率會隨著時間的推移變得越來越高。

如果把雙星合併引力波源比作宇宙中的樂器，那麼它只能在宇宙中一直做「爬音」練習，隨時間延續奏出頻率越來越高的聲音，但是卻不能同時奏出高低不同的兩個聲部。

那麼，假如有一天，宇宙中傳來了「高低聲部二重奏」的引力波，它會是如何形成的呢？

三個天體，帶來「二重奏」

近日，來自北京大學的陳弦和上海天文台的韓文標兩位研究員共同合作，闡釋了這樣一類新的引力波源的形成和演化過程。這一結果已發表在9月10號出版的自然子刊《通訊物理》（Communications Physics）上。

陳弦（圖左）和韓文標（圖右）

那麼，這一新理論中提到的引力波究竟是「何方神聖」？它對引力波天文學的後續研究又有何意義？

我們採訪了這項的研究者——陳弦和韓文標，請他們詳細解答了這一理論的價值。

1

現在已知並得到證實的引力波來源有哪些？

韓文標：

現在已知的引力波源來自於恆星級雙黑洞的併合以及雙中子星的併合。我們至今已經觀測到5次雙黑洞的碰撞(另有一次未完全確認)，這些黑洞的質量差不多在10-30太陽之間。去年8月17號，還觀測到了雙中子星的碰撞事件，除了引力波外，還輻射出大量電磁信號。

這些引力波都是由兩個緻密天體的碰撞產生的，還沒有看到三個天體產生的引力波信號。但科學家已經設想了多種三體系統中發出引力波的可能性。

我們的研究是其中的一種,而且是很特別的一種。

至今已經觀測到5次雙黑洞碰撞(另有一次未完全確認)和一次雙中子星的碰撞事件 | LIGO

2

這種特別的引力波源具體指什麼呢？

陳弦：

我們本次研究討論了一個三體系統構成的引力波源。具體來說，它是由一個百萬太陽質量以上的超大黑洞捕獲一對恆星級雙黑洞形成的。之前的研究普遍認為小的雙黑洞要麼早早相撞合二為一、要麼被大黑洞的潮汐力拆散。而我們的研究表明，恆星級雙黑洞有機會一直存活到距離大黑洞很近的地方。

這樣一來，恆星級雙黑洞可以在大黑洞視界附近併合，並輻射引力波；同時，恆星級雙黑洞繞轉超大質量黑洞也會輻射引力波。我們把這個系統命名為極端質量比旋進雙星（b-EMRI）。

由超大質量黑洞和恆星級黑洞組成b-EMRI系統 | 韓文標

3

這種新的波源有什麼特徵？

韓文標：

恆星級雙黑洞的碰撞輻射高頻引力波（幾十到數百赫茲），同時雙黑洞繞轉超大質量黑洞還輻射低頻引力波（毫赫茲）。因此我們研究的這個三體波源可以同時發出低頻、高頻兩種引力波，就像高、低兩聲部同時進行演奏，所以形象地稱之為「二重奏」引力波源。其中低頻持續的時間長，高頻持續的時間短。

「二重奏」引力波（b-EMRI）源的演化示意 | 參考文獻[1]

4

如何探測這種波源呢？

陳弦：

這種二重奏的引力波，其低頻部分能夠被空間引力波探測器檢測到，比如歐美的激光干涉空間天線（Laser Interferometer Space Antenna，簡稱「LISA」）和中國提出的「太極」、「天琴」等。而其高頻引力波信號可以被LIGO等地面引力波設備觀測到。

如果這兩個獨立觀測到的信號認定是同一個系統發出的，並滿足相應的特徵，那我們就能肯定探測到這種源了。

LIGO天文台 | LIGO

5

這種源的重要意義是什麼？

韓文標：

雙黑洞碰撞後會發生一種非常有意思的現象，叫「引力反衝」，併合後的黑洞會以高達上千公里每秒的速度彈射出去。藉助於這種二重奏源，我們很有希望探測到這種反衝速度，從而測量引力波攜帶動量的多少。同時，可以精確稱重黑洞碰撞造成的質量損失。另外，這種源發生的概率，和星系中心區域的天體的演化、分布以及運動關係很大。

6

這項研究在國際上的影響如何？未來將怎樣發展？

陳弦：

LISA科學組以及國內的空間引力波探測計劃都對我們提出的這一新型引力波源很關注。

b-EMRI系統因其獨特的多波段觀測特性，一旦被觀測證實，將有助於人們進一步理解相對論性星團動力學、引力波的產生和傳播、以及強引力場中的多種非線性過程（如引力輻射造成的反衝，質量虧損等）。

空間探測器計劃2030年後陸續施行，將對研究引力波及其他天文探測工作起到重要支持，我們期待那一刻的到來。

本文首發於：

我是科學家iScientist（ID：IamaScientist）

如需二次轉載請聯繫原作者，

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！