作者：李禹喆 时间：2026-03-12 点击数：
近日，我院2022级本科生李禹喆以第一作者身份在期刊《物理评论D》（Physical Review D，2026, 113, 043005）发表了题为 “Lense–Thirring Precession Modulates Repeated Lensing of Continuous Gravitational Wave Sources from AGN Disks”的论文。连续引力波源是空间引力波项目天琴计划探测的重要天体目标，论文提出利用连续引力波源的重复引力透镜效应来探测Kerr黑洞周围的Lense–Thirring进动，从而高精度检验广义相对论效应。该论文由我院雷卫华教授担任通讯作者，天文学系博士研究生许文龙、陈忆谷参与合作完成。
图1 引力透镜原理示意图。来自背景天体的光线受前景的透镜天体的引力场所偏折，在遥远的观测者看来，背景源将呈现出多重像。来源Meneghetti, M.,
引力透镜效应已经成为现代天体物理与宇宙学中不可或缺的重要工具，在暗物质探测、致密天体性质与环境约束以及宇宙大尺度结构测绘等方面发挥着核心作用。传统研究主要集中在电磁波的引力透镜现象，而随着LIGO在2015年首次探测到引力波事件GW150914，引力波天文学迅速发展，引力波的引力透镜效应也成为国际研究前沿。
与电磁波不同，引力波具有低频、相干性强以及特殊探测方式等特点，其透镜效应主要表现为波形在时间上的畸变与位相变化，而非空间像的分裂，因此波动光学效应（尤其是衍射）在引力波透镜中具有重要作用。虽然目前尚未有确定的引力波透镜事件被观测到，但下一代地面及空间引力波探测器有望显著提升探测能力，使其成为研究致密天体环境与星系核物理过程的重要手段。
图2 引力波透镜的简单示意图，原波形(红色)经过透镜体后变为两个到达时间不同的波形信号，若到达时间相近则会产生干涉等效应。
近年来，嵌入活动星系核（AGN）吸积盘中的引力波源受到越来越多关注。AGN中的超大质量黑洞不仅能够作为强引力透镜，同时盘环境还能促进致密双星形成并提高并合率。已有研究表明，超大质量黑洞可通过Lidov–Kozai机制和de Sitter进动影响引力波源轨道动力学，并引起连续引力波信号的重复透镜现象。然而，黑洞自旋的影响长期被忽略，主要原因在于自旋效应较弱、作用范围短且观测难度大。
图3 系统几何示意图。广义相对论，旋转的质量会“拖拽”周围的时空。这种效应迫使原本稳定的轨道平面发生“摇摆”。从物理结构上看，表现为轨道的角动量轴并不固定，而是绕着黑洞的自旋轴进行圆周运动——这就是轨道进动。
该论文系统研究了超大质量黑洞自旋引起的Lense–Thirring进动如何调制连续引力波源的重复引力透镜效应。研究表明，超大质量黑洞自旋将导致引力波源轨道角动量方向绕自旋轴发生进动，使得源轨道与引力透镜区域之间的相对几何关系发生长期演化，从而改变引力波信号经过Einstein半径的次数与方式。这一机制可能使原本进入透镜区的轨道逐渐偏离，也可能使原本不发生透镜的轨道被拖入透镜区域。
论文重点关注AGN吸积盘中绕黑洞运动且可产生连续引力波（continuous GWs）的源，如天琴、LISA频段内的致密双黑洞、快速自转中子星以及旋转黑洞周围玻色云等。由于连续引力波信号可以在长时间尺度上稳定存在，正好适合累积弱的Lense–Thirring进动效应。作者进一步分析了该机制对透镜事件持续时间、放大倍率及波形结构的影响，并通过匹配滤波技术讨论了其在未来探测器中的可观测性。该工作对引力波透镜研究、强引力场效应探测以及超大质量黑洞自旋测量具有科学意义。
图4 不同频率与自旋下的引力波透镜波形不匹配度。图中展示了发生引力波透镜化事件时，透镜化波形与原始波形的差异（不匹配度）。实线、虚线和点线分别代表 1 mHz、10 mHz 和 800 Hz 的引力波频率。不同颜色对应不同的黑洞自旋数值。灰色虚线表示不同信噪比（SNR）下的辨识阈值（超过此线表示差异可被观测到）。
论文第一作者李禹喆同学于2023年加入邱涛涛副教授创立的“星系与宇宙学”本科生创新基地，开始学习广义相对论。同期参加雷卫华教授团队课程组，先后开展等级三体系统研究和引力波透镜研究，目前已通过北京大学推免面试。
论文链接：https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/1p77-13n2
DOI: https://doi.org/10.1103/1p77-13n2
转载自：科研动态 | 我院本科生在引力波透镜研究方面取得新进展
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