由清华大学和圆周理论物理研究所团队领导的一项研究，揭示了黑洞并合后产生的复杂引力波的新特性。这项研究建立了一种描述一般旋转黑洞（克尔黑洞）周围引力波之间相互作用的理论、计算了并合后产生的非线性引力波，使得我们能够更深入的理解广义相对论在极端环境下的非线性特性。
双黑洞并合后，在中心会留下一个振动的黑洞。这个振动会通过铃宕过程衰减，并发射引力波。这些引力波具有各种不同的模式，称为准正模式，并蕴含着中心黑洞的特性。其中线性模式信号最强，而由于线性模式相互作用会产生的非线性的引力波，通常被称为二阶模式。二阶模式信号会弱一些，但是它能帮助我们深入理解引力的非线性动力学行为。然而，精确计算并解释这些二阶模式一直是一个长期的挑战。
研究团队分类了不同的模式耦合渠道，并提出了一种新的技术（超双曲切面方法），使得的数值计算这些二阶模式成为可能。并且这一方法也和之前该团队提出的基于复平面围道积分的独立方法进行了相互验证。该新方法能够首次完整计算所有的二阶非线性模式，用于完整地预测振动黑洞铃宕过程中发射的引力波。其预测结果（实线）与数值模拟提取的数据点一致（见图一）。这一成果也是黑洞二阶微扰论一个胜利。
图一：非线性模式激发因子的理论预测与数值模拟的对比图。
此发现预言了这些非线性模式将在下一代的引力波探测器，比如地基探测器Cosmic Explorer 和天基探测器 LISA、太极、天琴被探测到，因此也具有较强的实际意义。对于这些二阶模式，建模越精确，那么未来就能从探测器探测到的引力波信号中提取越多的信息，对于理解并合后中心黑洞的性质也就越准确，从而可以帮助从各个维度的检验广义相对论的强引力场预言。值得注意是，如果在数据分析中忽略掉这些二阶模式，那么提取的线性模式就会有系统误差，从而影响对于源的参数估计。
这项题为《旋转黑洞中的二阶模式耦合及其可探测性》的研究发表在《物理评论快报》上，并被编辑推荐。该研究不仅拓展了我们在引力波天文学领域中的理论工具，也为未来探测器揭示宇宙中大量黑洞的交响乐提供了支持。这项研究的第一作者为博士后Neev Khera，通讯作者为杨桓教授，并与圆周理论物理研究所博士后马司政合作完成。
文章链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.1
