新方法：黑洞吸积盘的奥秘将被引力波破解

黑洞是宇宙中最神秘的天体之一，它们的存在和性质可以用爱因斯坦的广义相对论来描述。但是，黑洞并不是孤独的存在，它们通常会被周围的物质所包围，形成一个旋转的圆盘，称为吸积盘。吸积盘中的物质会不断地向黑洞靠近，并在最后一刻释放出巨大的能量，形成强烈的电磁辐射。这种现象可以在活跃星系核中观察到，它们是宇宙中最亮的天体之一。

但是，吸积盘中的物质并不是平静地向黑洞落入，而是会受到各种力的作用，导致它们的运动发生变化。其中一个重要的力就是由于吸积盘内部不同区域之间的摩擦和压力差而产生的迁移力。这种力会使得物质在吸积盘中向内或向外迁移，从而改变它们与黑洞之间的距离和角动量。

那么，我们如何探测和测量吸积盘中物质的迁移呢？目前，我们主要依靠电磁观测来研究吸积盘的性质和结构，但是这种方法有很多局限性和不确定性。有没有其他更直接和精确的方法呢？答案是有的，那就是利用引力波。

引力波是由于时空弯曲而产生的波动，它们可以携带关于其源头的重要信息。在LISA这样的未来太空引力波探测器中，我们期待能够探测到一种特殊类型的引力波源，称为极端质量比旋进（EMRI）。这种源由一个恒星质量级别的紧凑天体（如中子星或小型黑洞）围绕一个超大质量黑洞旋转而产生。在旋转过程中，紧凑天体会发出引力波，并逐渐靠近超大质量黑洞，直到最终被其吞噬。

EMRI是一种非常理想的引力波源，因为它们可以持续发出数十万个周期的引力波信号，并且信号非常清晰和复杂。通过分析这些信号，我们可以精确地测量超大质量黑洞的质量、自旋、电荷等参数，并且检验广义相对论是否在极端条件下仍然成立。但是，这些信号还包含了另外一层信息，那就是关于吸积盘的信息。

由于紧凑天体在超大质量黑洞的吸积盘中运动，它会受到吸积盘的迁移力的作用，从而导致它的轨道发生变化。这种变化会反映在引力波信号中，使得信号的频率、振幅、相位等特征发生偏移。如果我们能够准确地识别和量化这种偏移，我们就可以利用引力波来探测和测量吸积盘的迁移力，从而揭示吸积盘的物理性质和机制。

这正是一篇最近发表在《物理评论X》杂志上的论文所做的工作。该论文的作者利用贝叶斯统计方法，研究了LISA能否探测到吸积盘对EMRI的影响，并且能否区分不同类型的吸积盘模型。他们发现，LISA有很大的可能性能够探测到吸积盘对EMRI的影响，并且能够测量迁移力的大小和方向，从而区分不同的吸积盘模型。

他们还发现，如果能够同时观测到EMRI的电磁对应体，那么就可以利用多信使天文学的方法，直接测量吸积盘的粘滞系数，这是一个非常重要但难以测量的参数。此外，他们还研究了如果忽略了吸积盘对EMRI的影响，在分析引力波信号时会产生什么样的误差和偏差。他们发现，这种误差和偏差可能会导致对超大质量黑洞的质量和自旋的错误估计，甚至会导致错误地认为广义相对论存在偏离。

这篇论文展示了利用引力波来探测和测量吸积盘物理的巨大潜力，这是一种以前只能通过电磁观测来实现的方法。这种方法不仅可以提供更直接和精确的信息，而且可以避免电磁观测中存在的许多复杂性和不确定性。这种方法也可以为我们理解黑洞如何与周围环境相互作用，以及如何影响星系形成和演化提供新的视角和线索。