科学家提出引力波计算新方法
2026/02/06
引力波,通常被称为时空涟漪。正如水面受扰动会产生涟漪并扩散,黑洞的剧烈运动亦会搅动时空,进而产生引力波。扰动是促使黑洞产生引力波的方式之一,这类扰动主要分为两种形式:一是对黑洞的直接撞击,二是隔空作用,即由于黑洞会强烈弯曲其周围的时空,即便未直接接触黑洞本体,也能对其形成扰动。典型的场景为:若有质量更小的黑洞绕着中心黑洞运动,会持续不断地扰动黑洞,进而产生引力波。为计算该典型场景下产生的引力波,科学家提出了黑洞微扰理论。然而,如何依托该理论精确高效地完成引力波计算,至今仍是一项技术难题。
目前,天体物理学领域最常见的黑洞为带有自旋的克尔黑洞,其微扰特性可通过Teukolsky方程描述。针对该方程齐次解的求解问题,此前学界主要采用两种方法:一为Sasaki-Nakumura方法,该方法通过方程变换,克服其长距离计算的局限性,再采用差分法完成求解;二为半解析的Mano-Suzuki-Takasugi方法,该方法以超几何函数构造齐次解。但上述两种方法均存在一定的局限性:Sasaki-Nakumura方法因需开展数值积分计算,计算精度与效率较低;Mano-Suzuki-Takasugi方法虽具备计算速度快、精度高的优势,但在高频段条件下,收敛性较差,因此制约了科学家快速生成高精度引力波波形的工作进程。
针对上述问题,中国科学院上海天文台研究团队,针对黑洞微扰的Teukolsky方程,提出了以级数展开为基础的新算法——Jiang-Han算法。该算法在保持相同精度的情况下,运算速度较主流的Black Hole Perturbation Toolkit提升几十倍到几百倍,且可适用于任意频率范围,包括复频率场景。研究团队进一步基于Jiang-Han算法,构建出完全相对论框架下的不对称二体系统引力波计算模型。该模型是目前精度最高、速度最快的完全相对论波形模板,未来有望直接应用于我国未来空间引力波探测的数据分析工作。
近期,相关研究成果发表在Physical Review D上。
小黑洞持续扰动大黑洞引力场产生引力波示意图
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