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Feb. 13 2016

重力波找到了!

  • 重力波找到了!

    重力波找到了!

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科學家偵測到宇宙巨大活動所產生的漣漪現象,可能開啟天文學的新紀元。

科學家偵測到兩個黑洞相撞合併所產生的重力波(此處模擬),由於此一活動十分激烈,相撞的兩個黑洞互相吞噬對方的前一刻,釋放出的能量比宇宙其餘部分加起來還要多。ILLUSTRATION BY SXS COLLABORATION

人類尋找重力波(gravitational wave)將近一個世紀之後,終於獲得成功。在雷射和鏡子的協助下,科學家已直接觀測到重力波。

兩個相互環繞運行的黑洞,一個是太陽質量的36倍,另一個是太陽質量的29倍,高速相撞,釋放出重力波。

從大約13億光年之遙,這些重力波向外擴散,有如宇宙中的漣漪,在去年9月14日通過地球,在四組鏡子的距離上造成非常小、但可測量的改變-其中兩組鏡子在路易斯安那州,另外兩組在華盛頓州。

在兩個黑洞合併的最後一刻,它們釋放出的能量是宇宙所有銀河所有恆星釋放能量總和的50倍。

加州理工學院物理學家萊茲(David Reitze)在記者會上宣布這項重大發現時表示:「這是宇宙首次以重力波與我們對話。」

對於監控「雷射干涉儀重力波天文台」 (LIGO)的科學家而言,地球上收到的訊息像是鳥兒啁啾(chirp),先前預期將會伴隨兩個黑洞的死亡與合一而來。

「我們可以聽到重力波,我們可以聽到宇宙,」路易斯安那州立大學物理與天文學教授凱碧歐拉・岡薩雷茲(Gabriela Gonzalez)說。「我們不僅可以看到宇宙,現在還能用聽的

許多人認為,這項發現可望贏得諾貝爾獎。有關LIGO團隊這項重大發現的消息在社群媒體上流傳已久,就算沒有數月、也有數週的時間,不斷傳出即將會有正式的發布會。


感受震動

愛因斯坦1916年首次假設「重力波」,這是他的廣義相對論中最為矛盾的部分之一。「重力波」在極端活動中產生,例如相撞的黑洞、合併的中子星、或是爆炸的恆星,這些活動充滿能量,十分激烈,足以扭曲「空時」(spacetime),導致空間/時間展與收縮。

但是,你或許可以想像,這些改變並非一般常理可以說明。否則的話,我們將會看到時鐘走動不一致,地景一直在伸展與壓縮。然而,「重力波確實正在穿越我們,」加州理工學院LIGO小組領導人艾倫・溫斯坦(Alan Weinstein)表示,「我以左臂打賭這是真的。我是左撇子。」

這意謂這些強有力的波掃過地球,其作用恰如其分地非常難以偵測。「空間的延展與收縮瘋狂地小,溫斯坦表示。他指出,針對相距一公尺坐下的兩人,穿越的重力波可能改變兩人之間的距離僅僅10-21公尺,也就是質子直徑的百萬分之一。

但是,放置兩面鏡子相距四公里,就像LIGO團隊所做,重力波的作用和質子直徑的萬分之一相似。「那是我們能做的,」溫斯坦說。

LIGO團隊設置兩具相似的L型偵測器,一具在路易斯安那州利文斯頓,另一具在華盛頓州漢福德,兩者的距離橫跨整個美國。對於重力波的訊息而言,必須出現在兩具偵測器上才算數。偵測器由兩組鏡子構成,兩組鏡子呈垂直狀。穿越的重力波會在一個方向延展空間/時間,在另一個方向壓縮空間/時間,導致偵測器的臂部出現不可思議地的微小震動,並由雷射偵測到。

這套裝置是全球最為敏銳的偵測設備,除了偵測重力波之外,也可以感應到六州之遙的卡車、地震和打雷的震動,還有全球定位衛星的訊號,以及地球上層大氣的電磁波。這一切的噪音必須過濾掉,才能偵測到來自重力波的微小訊息。

 

 

電腦模擬顯示,兩個相互環繞運行的巨大黑洞,釋放出重力波。ILLUSTRATION BY C. HENZE, NASA

 

經過數十年的計畫和戲劇性的政治事件之後,LIGO團隊在2002年首次嘗試偵測重力波;經過八年無聲無息之後,偵測器在2010年關閉,並且進一步隔離干擾噪音。

所以,當LIGO團隊進階觀測工作於去年9月18日再度展開時,科學家相當樂觀相信,他們可以找到某些東西。

命運的奇特轉折,他們已掌握到一次偵測。在正式觀測開始之前,偵測器已啟動和運行,並已獲得一項極度誘人的訊息。這項訊息先被路易斯安那州偵測器發現,千分之七秒後,華盛頓州也偵測到了。

「我們很有信心,當狀況來臨,一定是好的狀況。我們是否會驚訝狀況好到像是夢幻一般?當然會。我的反應是,哇。我真是難以置信。」萊茲說。


當黑洞相撞

運用愛因斯坦的方程式,科學家從可觀察波返回,回頭來決定何種天體物理活動造成重力波。在本案例中,這些方程式指出,兩個相撞的黑洞是元凶,並且當它們合併時,會形成一個新的黑洞,是太陽質量的60倍多。

黑洞由死亡和殞落的恆星組成,是已知宇宙中最為奇特的天體之一;如果你可以稱它們為「天體」。「一般很容易把黑洞想成一團物質,由於十分密集,以致它的引力捕捉一切靠得太近的東西,甚至是光。但是,要稱黑洞是『物質』或『天體』,倒不如稱它是強烈彎曲、無底空時的區域。因此,當兩個黑洞合併時,這活動決不普通。」

「有點像是彎曲空間的翻騰混亂,快速地變動中,」溫斯坦如此形容。

在LIGO團隊偵測到的相撞中,兩個黑洞慢慢地互相環繞運行,長達數百萬年或是數十億年之久。但是,隨著兩個黑洞愈來愈接近,它們的軌道速度加快,直到最後以大約光速的一半互相環繞運行,並釋放出巨大的能量,以扭曲空時的重力波形式呈現。

然後,兩個黑洞合併。在合併前的最後一刻,環繞運行的兩個黑洞釋放出更多的能量,比整個宇宙釋放所有形式的能量還要多。一旦合併完成,合併產生的新黑洞左右搖晃,隨即安定下來,進入所謂的鈴蕩(ring-down)階段,也就是安靜下來前的最後喘氣。

這是令人印象深刻的故事,由地球上鏡子之間的極小距離改變所揭露。

國家無線電天文臺National Radio Astronomy Observatory天文學家史考特・蘭森Scott Ransom)表示﹕「數據看來令人十分驚異。」他看過LIGO團隊的手稿,稿件並已刊登於《物理評論通訊》(Physical Review Letters)。「看到偵測器『原始』輸出中的波,沒有任何特殊的統計格式處理,超乎所有人的期待。」

LIGO團隊的科學家相信,信息是真的;事實上,他們計算過,誤報的機率每20萬年不會超過一次以上。對於團隊目前收集到的所有潛在重力波偵測,並不適用。團隊發現,至少還有一個候選信息,那是在去年10月12日偵測到的,是由合併的黑洞所產生,但科學家不敢斷言這不是誤報。


新紀元,外加其他搜尋

這次發現是科學家首次直接捕捉到重力波,並非首次證明重力波的存在。1974年,喬・泰勒(Joe Taylor)和羅素・赫爾斯(Russell Hulse)偵測到當時一種新的奇異天體﹕脈衝雙星,也就是兩顆中子星互相環繞運行。泰勒和赫爾斯確定,脈衝星的軌道收縮,並且了解唯一的原因就是重力波把能量帶離了系統。

這項發現證明了重力波的存在,泰勒和赫爾斯因此贏得1993年諾貝爾物理獎。

LIGO團隊運用雷射和精密排列的鏡子,偵測出重力波造成的微小震動。

這裡的差別在於LIGO團隊直接觀測到地球上的重力波,這項發現將為天文學開創新的紀元,協助天文學家更進一步窺探宇宙。

以重力波來觀看宇宙,可能類似科學家首次以紅外線、X光或微波觀看天空。數千年以來,天文學家以可見波波長觀看天空;人們可以看到恆星和行星,觀看它們在天際移動。但是紅外線宇宙充滿炙熱、含塵量高的星團,那裡正是恆星誕生之地;X光宇宙可見恆星屍體;微波宇宙充滿大霹靂的熱遺跡。以重力波觀看天空,同樣將為天文學帶來革命性的影響。

身為普林斯頓大學天文物理學家的泰勒以黑洞為例指出,「電磁輻射並未讓我們如願以償,這是研究宇宙中遠距天體和現象的新方法。」「我們懷疑黑洞可能存在,我們已在銀河的中心看過黑洞的證據,如今我們將有直接偵測黑洞的方法,這和以往是很不一樣的。」

 

聆聽重力波

LIGO團隊觀測到,當兩個黑洞愈來愈接近,它們釋出重力波,頻率和振幅都增加,地球上收到的訊息像是鳥兒啁啾(chirp)。影片中最先的啁啾是重力波的頻率,接下來的啁啾頻率較高,比較適合人類的聽覺圍。

不僅如此,在未來的數十年中,其他的實驗可能也會偵測重力波。其中一項名為「NANOGrav」,使用毫秒脈衝星-控制時間出奇精準-當作天然的重力波偵測器。隨著重力波穿越脈衝星,它們會短暫干擾脈衝星轉動的時機,因而留下證據記號,可在天際上追蹤。

LIGO團隊關注恆星質量激變所產生的重力波,和LIGO團隊不一樣的是,這些脈衝星轉動時機排列,將可偵測盤旋上升的超大質量黑洞所產生的更長漣漪現象。

另一個倡議中的實驗是發射重力波觀測器eLISA進入太空,屆時將對所有天體物理系統產生的波保持敏銳。然後,也有團隊志在尋找原始重力波,那是宇宙初期快速擴張時所產生的。2014年,BICEP2團隊宣布發現這些重力波,但訊息後來證明不確實。

重力波天文學要成為主流還要一陣子。但是,如果成真,迄今仍停留在數學範疇的這些極端、看不見的宇宙活動,將會進入可觀察的領域,平添全新的謎團,留待人類去解決。


撰文:Nadia Drake

編譯:編輯部

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