極端質量比例旋

極端質量比例旋（英文：Extreme Mass Ratio Inspiral, EMRI）是宇宙中一類特殊的天體系統。現在的對銀河系和周圍的河外星系的研究表明在絕大多數星系中心都有大質量或超大質量黑洞的存在，當有小質量的緻密星體在運動過程中恰巧接近星系中心的超大質量黑洞時它有可能被黑洞的引力場俘獲，結果就是緻密星體在新的軌道上圍繞著黑洞運動。理論上這種運動會釋放出引力波，造成系統動能的逐漸損失，這就導致星體的軌道以相當緩慢的速率逐漸收縮，最終會使星體墜入黑洞中。EMRI在物理學和天文學上都有很重要的研究意義，因為它可以被抽象成一個質點的引力場對克爾度規的微擾模型，這是一個相當漂亮的驗證廣義相對論的實驗場所，同時它也被認為是雷射干涉空間天線（LISA）所能探測的最重要的引力波源之一。

基本介紹

• 中文名：極端質量比例旋
• 外文名：ExtremeMassRatioInspiral
• 領域：物理學

EMRI的物理性質

EMRI中心的大質量或超大質量黑洞的質量範圍在10到10倍太陽質量之間，而圍繞它公轉的緻密星體可以是白矮星（約0.8倍太陽質量）、中子星（約1.4倍太陽質量）、恆星質量黑洞（約10倍太陽質量）和中等質量黑洞（約100倍太陽質量），而主序星和巨星由於結構不夠緻密，一般認為在接近中心黑洞時黑洞的潮汐力會對恆星表面物質產生吸積，從而激發出類星體現象。理論上，EMRI中心的大質量星體也可以是玻色星體（boson star），這時輻射的引力波形可能會和超大質量黑洞情形下的波形有所區別。

EMRI一般形成於星系中心超大質量黑洞對附近運動的緻密星體的大角度散射，這些星體足夠接近黑洞時有可能會被其引力場束縛住，從而形成圍繞黑洞運動的高度偏心軌道。這也是一種類似於雙星系統的旋近態（inspiral），伴隨軌道運動的引力輻射使得系統的動能和角動量逐漸地減少，因而軌道逐漸收縮，引力輻射的頻率逐漸升高，這是相當於雙星系統旋近時發出的啁啾（chirp）信號。由於EMRI的兩顆恆星質量相差懸殊，系統的啁啾質量相對較小，造成EMRI的旋近比一般的雙星更為緩慢。從觀測的角度來說，這意味著LISA可以用長達數年的時間觀測到同一種波形。不過，理論表明當緻密星體運動到軌道的遠星點（periastron）時星體還會發出突發的引力輻射。在最初的很多個軌道周期內這些位於遠星點的突發輻射在時間間隔上相距很遠，因此可以認為是完全不相關的信號，這意味著這種突發信號無法被探測到。

超大質量黑洞

比較超大質量黑洞與其他質量相對較低的黑洞，可見一些有趣的區別：

• 超大質量黑洞平均密度可以很低，甚至比空氣密度還要低。這是因為史瓦西半徑與其質量成正比，而密度則與體積成反比。由於球體（如非旋轉黑洞的事件視界）體積是與半徑立方成正比，而質量差不多以直線增長，體積增長率則會更大。故此，密度會隨黑洞半徑增長而減少。
• 在事件視界附近的潮汐力會明顯較弱。倘有一太空人向黑洞中央移動，在他到達黑洞深處之前不會感受到明顯潮汐力，此系因事件視界距離位處中央之引力奇點很遠所致。