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解读引力波:科学家提出突破性计算方法

解读引力波:科学家提出突破性计算方法

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2026-02-04

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)

来源:https://www.163.com/dy/article/KKUCVCAN0514R9OJ.html
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