解读引力波：科学家提出突破性计算方法

来源：环球网

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【环球网科技综合报道】据《Physical Review D》期刊消息，引力波常被称为时空的涟漪，其产生原理类似水面的波动：当水受到扰动，便会泛起波纹向外扩散；而黑洞的剧烈运动同样会搅动时空，进而产生引力波。扰动是促使黑洞产生引力波的主要方式之一，具体可分为两种形式：一是直接撞击黑洞，二是通过时空弯曲产生的间接作用。即便没有直接接触黑洞本体，由于其巨大的质量会强烈扭曲周围时空，也能对其进行扰动。典型场景是：一个质量较小的黑洞围绕中心黑洞运动，会持续不断地扰动中心黑洞，从而产生引力波。为计算该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是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：一是Sasaki-Nakumura方法，该方法通过方程变换，克服了其长距离计算的局限性，再采用差分法完成求解；二是半解析的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方法因需展开数值积分计算，其精度与效率较低；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非对称双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拟模板，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。（青云）