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引力波，通常被稱為時空漣漪。正如水面受擾動會產生漣漪并擴散，黑洞的劇烈運動亦會攪動時空，進而產生引力波。擾動是促使黑洞產生引力波的方式之一，這類擾動主要分為兩種形式：一是對黑洞的直接撞擊，二是隔空作用，即由于黑洞會強烈彎曲其周圍的時空，即便未直接接觸黑洞本體，也能對其形成擾動。典型的場景為：若有質量更小的黑洞繞著中心黑洞運動，會持續不斷地擾動黑洞，進而產生引力波。為計算該典型場景下產生的引力波，科學家提出了黑洞微擾理論。然而，如何依托該理論精確高效地完成引力波計算，至今仍是一項技術難題。目前，天體物理學領域最常見的黑洞為帶有自旋的克爾黑洞，其微擾特性可通過Teukolsky方程描述。針對該方程齊次解的求解問題，此前學界主要采用兩種方法：一為Sasaki-Nakumura方法，該方法通過方程變換，克服其長距離計算的局限性，再采用差分法完成求解；二為半解析的Mano-Suzuki-Takasugi方法，該方法以超幾何函數構造齊次解。但上述兩種方法均存在一定的局限性：Sasaki-Nakumura方法因需開展數值積分計算，計算精度與效率較低；Mano-Suzuki-Takasugi方法雖具備計算速度快、精度高的優勢，但在高頻段條件下，收斂性較差，因此制約了科學家快速生成高精度引力波波形的工作進程。針對上述問題，中國科學院上海天文臺研究團隊，針對黑洞微擾的Teukolsky方程，提出了以級數展開為基礎的新算法——Jiang-Han算法。該算法在保持相同精度的情況下，運算速度較主流的Black Hole Perturbation Toolkit提升幾十倍到幾百倍，且可適用于任意頻率范圍，包括復頻率場景。研究團隊進一步基于Jiang-Han算法，構建出完全相對論框架下的不對稱二體系統引力波計算模型。該模型是目前精度最高、速度最快的完全相對論波形模板，未來有望直接應用于我國未來空間引力波探測的數據分析工作。近期，相關研究成果發表在Physical Review D上。論文鏈接小黑洞持續擾動大黑洞引力場產生引力波示意圖