2017年諾貝爾物理獎10月3日公佈得獎名單,頒給成功偵測重力波的三位科學家:萊納.魏斯(Rainer Weiss)、巴里.巴利許(Barry C. Barish)和基普.索恩(Kip S. Thorne),這樣的結果並不意外,比較讓人驚訝的是為什麼會這麼快就拿到諾貝爾獎了!

百年前的預測

1916年,愛因斯坦發表廣義相對論時,他就預測重力波的存在,但是愛因斯坦認為重力波的效應非常的微弱,實際上不太可能偵測得到。

1974年,拉塞爾.赫爾斯(Russell Hulse)和約瑟夫.泰勒(Joseph Taylor)發表發現兩顆非常靠近而且互繞的中子星,他們還發現這兩顆中子星之間的距離愈來愈近,而且靠近的速度和廣義相對論的預測相吻合!兩顆中子星互繞時會釋放出重力波,這讓兩顆中子星漸漸靠近對方。這個發現讓科學家相當興奮,雖然只是觀察到兩顆中子星漸漸靠近,不過這樣的發現間接證明重力波的存在,這個結果再次驗證廣義相對論是對的。1993年諾貝爾物理獎頒給拉塞爾.赫爾斯和約瑟夫.泰勒,表彰他們的重大發現。

LIGO重力波觀測站

1960年代時,麻省理工學院的萊納.魏斯開始研究設計重力波觀測站,而加州理工學院的基普.索恩則在研究重力波的理論。原本麻省理工學院和加州理工學院都要建造自己的重力波觀測站,後來兩者合而為一成為LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory),當時這個計畫的主要負責人是萊納.魏斯、基普.索恩和朗納.德瑞福(Ronald Drever)。

LIGO是由兩座美國的重力波觀測站所組成,其中一座在西北的華盛頓州,另一座在東南的路易斯安那州。1994年啟動建造,由巴里.巴利許擔任LIGO計劃主持人。2002年完成後開始觀測,但是因為重力波非常的微弱,LIGO一直沒有偵測到任何的重力波,2010年LIGO停止觀測,進行設備升級,提高觀測站的精密度。自從2015年9月完成升級後,整個進展的速度變得非常快,重力波好像不時的幫助他們往前推一把!就像迫不及待的想讓世人知道它的存在。

原本2015年9月18日才要重新啟用的進階LIGO,但是重力波似乎要提早給他們一個驚喜,2015年9月14日美國的兩座重力波觀測站就偵測到重力波!這是首次直接偵測到重力波的存在。

首次成功偵測重力波的結果,一直到2016年2月11日才正式向外公佈,在此之前LIGO團隊對這重大的發現守口如瓶,甚至連家人都不能說。2015年9月14日的重力波事件是兩顆36和29倍太陽質量的黑洞,合併成一顆62倍太陽質量的黑洞,合併的過程中損失了3個太陽質量,這些損失的質量轉換成重力波,讓這14億光年遠的事件能夠被LIGO所偵測到。LIGO團隊之後又在2015年12月和2017年1月獨立偵測到兩次重力波事件,這些重力波事件都是兩顆黑洞合併成一顆較大黑洞的事件。

兩顆互繞的黑洞在合併成一顆更大的黑洞前,會發出強烈的重力波。Photo by NASA
兩顆互繞的黑洞在合併成一顆更大的黑洞前,會發出強烈的重力波。Photo by NASA

 

萊納.魏斯、基普.索恩和朗納.德瑞福在重力波上的成就,獲得了2016年邵逸夫獎。2004年成立的邵逸夫獎和諾貝爾獎有些類似,所以也被稱為東方的諾貝爾獎,不過它是頒給天文學、生命科學與醫學、數學科學等三個項目。邵逸夫獎有點像是諾貝爾獎的前哨獎,其中五名邵逸夫天文獎的得主,後來也得到諾貝爾物理獎。所以大家都認為重力波的發現會得諾貝爾獎,接下來只是時間早晚的問題。

VIRGO加入

2017年8月1日,義大利的一座VIRGO重力波觀測站也升級完成,加入兩座LIGO的觀測。兩個星期之後(2017年8月14日)VIRGO和兩座LIGO偵測到一個重力波的訊號。2017年9月27日,LIGO和VIRGO團隊在諾貝爾獎10月初公佈物理獎名單之前,發布他們的共同觀測結果。

VIRGO扮演相當重要的角色,前三次的重力波偵測都是兩座LIGO獨立偵測到的,如果世界上只有LIGO團隊能夠偵測到微弱的重力波,其他的科學團隊都做不到,那麼科學家的心裡不免有個小問號,畢竟科學是需要其他人的驗證的。但是2017年8月14日的重力波事件,VIRGO驗證了LIGO的觀測結果,讓科學家除去心中的疑慮,這讓LIGO的科學家從諾貝爾獎候選人,變成準諾貝爾獎得主!

位於義大利的VIRGO重力波觀測站。Photo by The Virgo collaboration
位於義大利的VIRGO重力波觀測站。Photo by The Virgo collaboration

 

迫不急待

一般諾貝爾獎的得主都要經歷長時間的等待,當瑞典皇家科學院確認他們的結果是正確無誤時,才會把諾貝爾獎頒給他們,從發表結果到獲獎往往要等個十幾年的時間。2015年9月14日LIGO才首次成功偵測到重力波,隔年2月發表成果,成果發表一年半後就獲得諾貝爾獎!這樣快速得獎的例子是非常罕見的,為什麼瑞典皇家科學院會做出這樣的決定呢?

其中一個原因是科學家對成功重力波偵測已經等太久了,重力波獲獎時,大家一致鼓掌叫好,幾乎沒有人提出質疑,也幾乎沒有人認為今年的物理獎應該頒給其他人。

這麼快頒給重力波研究的另一個原因可能是歲月。2016年2月11日發表的首次成功偵測到重力波的論文中,一共有1010位的作者,其中三人已經過世,他們甚至來不及看見第一次偵測到重力波的結果。朗納.德瑞福是最早參與LIGO計畫的人,他和萊納.魏斯與基普.索恩在2016年得到邵逸夫獎,卻沒有得到諾貝爾獎,因為他在2017年3月已經過世,享年85歲。一般認為,如果朗納.德瑞福還健在的話,非常可能會獲得諾貝爾獎,可惜的是諾貝爾獎不頒給過世的人。今年萊納.魏斯已經85歲,而基普.索恩和巴里·巴利許也不年輕,分別是77和81歲。

重力波的發現為天文學家開了一扇窗,讓我們可以探索新的事物,接下來LIGO和VIRGO會帶來什麼新發現呢?讓我們拭目以待!

撰文:李昫岱(歡迎來「屋頂上的天文學家」臉書部落格