两个黑洞（中子星）在强大引力的相互作用下相互绕转着靠近彼此，越转越快，直至最后发生碰撞并合。在不断靠近彼此的过程中，就已经产生了引力波。理论预言，如果它们质量相当，在相互靠近的过程中，引力波的辐射不仅带走了能量，还能使得轨道从一个大椭圆较快地逐渐收缩到一个圆，到最后发出被LIGO探测到的高频强引力波信号时，轨道已经很圆了。

观测结果也确实如此，目前LIGO看到的引力波源都是质量相差不多的双天体在圆轨道上绕转形成的。但宇宙中天体的轨道，可以是任意的，它们的偏心率往往不是0，即它们往往不是圆轨道。双天体系统能既仍然沿着椭圆轨道相互绕转又发出LIGO可探测到的高频引力波信号吗？如果可以，会是怎样的引力波信号？

近日，针对这个问题，上海天文台韩文标研究员（青促会会员）和国内科研团队合作在椭圆轨道引力波研究方面取得了阶段性进展，首次在LIGO的引力波模板计算方法框架内提出了一个可实用的椭圆轨道双天体引力波模板计算模型“SEOBNRE”，为最终探究一般轨道的引力波波形背后的天体物理提供了有价值的探索。进一步，以韩文标为首的科研团队在另一项研究中发现，理论上椭圆轨道的情形还能提高LIGO所能探测引力波的黑洞质量上限至中等质量黑洞，对LIGO探测中等质量黑洞，研究黑洞和星系的演化等问题有很重要的意义。这两项工作发别发表在国际著名科学杂志《物理学评论快报 D辑》（Physical Review D）和《经典引力和量子引力》（Classical and QuantumGravity）。

第一篇论文是在等效单体框架，也就是LIGO的引力波模板计算方法框架内，提出了椭圆轨道引力波计算的模型SEOBNRE，适用于椭率一般的椭圆轨道的任意质量比双天体系统，尤其对于质量比相当的双天体系统最佳。

在第二篇论文中，韩文标（青促会会员）等人在理论上展示LIGO能探测到的黑洞质量上限可以被提升。LIGO探测的是高频引力波，无法探测到频率低于10Hz的引力波信号。而质量越大的双天体系统，辐射的引力波频率就越低。所以当质量大到一定程度时，其辐射的引力波LIGO就无法探测到。圆轨道情况下，该质量上限在1000个太阳质量左右，即天文学家很感兴趣的对象之一——中等质量黑洞。由中等质量黑洞构成的双天体在圆轨道情况下辐射出的引力波是LIGO较难探测到的。

他们发现，对中等质量比双天体系统——例如由一个恒星级的致密天体和中等质量黑洞构成的双天体系统来说，如果绕转轨道较椭，产生的高频引力波能被LIGO探测到。这就有效扩展了LIGO能看到的黑洞质量上限。定量来看，椭圆轨道能够使得探测质量上限提升接近两倍。这对LIGO探测中等质量黑洞，研究黑洞和星系的演化等问题有很重要的意义。

科研论文链接：

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.96.044028

http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6382/aa891b