【連宇宙大爆炸都觀測得到】重力波到底是什麼?中研院研究員從黑洞觀測告訴你!

(圖片來源:LIGO

【我們為什麼挑選這篇文章】愛因斯坦在發表相對論時,同時預測了重力波的存在,此後人們便不斷地在尋找重力波存在的證據;而在 2015 年首度觀察到重力波,人類多了一項工具觀察宇宙,也就是重力波天文學的誕生。本文採訪了中研院物理所研究員吳建宏,讓學者以研究角度解釋重力波的原理,並說明人類將如何從「觀察重力波」變成「使用重力波」,探測宇宙的根源。(責任編輯:呂威逸)

本文經  研之有物  授權轉載
採訪編輯:郭雅欣、美術編輯:林洵安

若說起近年科普界最火紅的關鍵字,絕對少不了「重力波」。重力波爆紅的原因,無非是位於美國的雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO)在 2015 年首度觀察到來自一場黑洞合併事件引起的重力波,並於 2017 年獲得諾貝爾物理獎的肯定。重力波到底是什麼?和黑洞又有什麼關係?2019 年中研院院區開放日,中研院物理所吳建宏研究員的精彩演講「利用重力波探測宇宙黑洞」,要跟大家聊聊重力波大小事。

重力像水波一樣?重力波到底是什麼?

宇宙萬物之間都有重力,比如說,地球是因為具有重力,才能把我們「吸」在地表上;太陽是因為具有重力,才能讓八大行星不斷繞著它公轉。

不過,愛因斯坦的廣義相對論中,認為重力是來自空間的扭曲,質量愈大的物體,周圍的空間就扭曲的愈厲害。而當物體加速度前進時,則會使空間的扭曲發生變化、產生「漣漪」,這就是「重力波」。吳建宏形容:「就像水中的漣漪那樣,水波是依賴著水而存在,重力波則是依賴著空間而存在。」

既然宇宙中有那麼多天體,而且質量大的也不少,可以想像我們所處的「空間」到處都是重力波,一點也不平滑,反而可能像處處水波蕩漾的大池塘,真是顛覆直覺!

epa05154649 A undated handout graphic, made available 11 February 2016 by NASA / CALTECH-JPL, showing an artist's impression of gravitational waves generated by binary neutron stars. US researchers said 11 February 2016 they have detected gravitational waves, which physicist Albert Einstein first described 100 years ago as 'ripples in the fabric of space-time.' Scientists from Caltech and the Massachusetts Institute of Technology (MIT) made the announcement in Washington and other locations around the world. There were immediate suggestions that the discovery could well win them the Nobel Prize in Physics. The signal detected with LIGO, an observatory with sites on both sides of the United States, was very clear and there was no room for doubt that it was direct evidence of the waves, said Bruce Allen, who is acting director at Germany's Max Planck Institute for Gravitational Physics. He said two scientists with his group in the northern German city of Hanover were the first to notice the effect. The announcement may confirm Albert Einstein's last unproven theory, dating from 1916. EPA/R. HURT / CALTECH-JPL / HANDOUT HANDOUT EDITORIAL USE ONLY
重力波示意圖。當物體加速度前進時(如兩個超大質量星體互繞),會使空間的扭曲發生變化、產生「漣漪」,這就是「重力波」。
圖片來源│R. Hurt/Caltech-JPL

既然重力波到處都是,為什麼在愛因斯坦 1916 年提出重力波之後,我們相隔了約一百年,才終於透過 LIGO 找到了它存在的證據呢?

因為重力波能引起的「波動」非常的小,科學家估計即使是劇烈的天體合併事件,能引起的重力波所造成的空間擾動,傳遞到地球時,數量級也頂多只有 10-12 比 1,換算下來,一個一公里長的物體,因為重力波而造成的改變量只有千分之一個原子核直徑那麼長而已,也難怪愛因斯坦在提出重力波之後,曾說過「我們可能永遠測量不到重力波的存在。」不過,幸好如此,我們才不會感覺自己一下子變矮、一下子又變胖,對吧?

儘管連愛因斯坦都沒把握測得到,但不要小看科學家的鬥志。既然波動很小,我們就設計超級精密的儀器來測量它!在科學家大無畏的精神下製造出的 LIGO ,精確度數量級硬是高達了 10-22

在愛因斯坦提出重力波的一百年後,我們終於找到了重力波存在的證據。

LIGO 的完美 L:科學家如何放大重力波的擾動?

科學家是怎麼做到的呢?答案就在 LIGO 超特別的設計裡。LIGO 包含了一組相互垂直、呈 L 形的兩根管子,每根管子的長度都是四公里。一開始,從交角處出發的雷射光,會被分光鏡分成兩道,各自沿著兩根管子前進,再由管末的反射鏡反射回來。雷射光來回反射四百趟之後,會在交角處會合並互相干涉。

在沒有重力波的情況下,從兩根管子回來的雷射光走的路程長度完全相同,在干涉過程中會彼此抵消,不會產生訊號。但如果重力波引起空間扭曲,就可能對兩根管子的長度產生影響,拉伸或壓縮了一點點,兩道雷射光的光程就會有些微不一樣,回到交角處時的相位也會有一點點差異,這一點點的差異就足以讓 LIGO 精密的干涉儀器產生干涉訊號,讓科學家知道:「嘿!剛剛有重力波經過這裡!」

換言之,儘管重力波能產生的空間擾動超級小,但 LIGO 把雷射光的光程拉得超級長,盡可能把重力波造成的空間擾動放大到可觀測的程度,然後等待足夠大的重力波來臨時,就是我們窺探它的好機會。

雷射光被分光鏡分成兩道,分別沿著兩根管子前進,經由管末的反射鏡反射四百趟之後,兩道雷射光會在出發的交角處會合並互相干涉。如果沒有重力波,兩道光程一樣(兩根管長一樣),不會出現干涉條紋。如果有重力波經過,光程不同(管長些許不同),就會出現干涉條紋,藉此偵測出重力波。
資料來源│ LIGO will be getting a quantum upgrade
圖說設計│黃曉君、林洵安

終於看見了!觀測到黑洞合併驚呆了科學界

當然,儘管我們用 LIGO 這樣的儀器做了萬全的準備,要看到「足夠大」的重力波,還得有天時地利的幫助才行。重力波雖然可以穿透萬物,不像光一樣容易被擋住,但若波源太遠,波的強度還是會隨著距離逐漸減弱,所以得有一個距離地球不太遠,又能產生明顯重力波的波源才行。

此外,要產生重力波,需要天體系統在旋轉時的「輪廓」產生變化,也就是這個系統本身的外觀愈不對稱愈好。如果是一個球狀對稱的天體在自轉,或者天體很平均的向內塌縮,是不會產生重力波的。反過來說,一個 雙星系統 彼此繞行最後合併的過程,由於雙星位置一直變換,整個系統的不對稱性高,因此產生的重力波就會比較明顯,所帶出的能量也會比較大,相對容易觀測。既然如此,最可能產生重力波的事件,就莫過於「黑洞合併」及「中子星合併」了。以下是以電腦模擬兩個黑洞合併事件以及在過程中發出的重力波。

黑洞中子星 都可以是恆星老年死亡後塌縮下的產物。恆星倚賴核心的物質進行核融合反應,來抵抗自身重力,一旦邁入老年,內部的核融合燃料漸漸減少,就會抵抗不了重力,整個球體往內塌縮成更小的球體。如果恆星的質量夠大,最後會在一場「超新星爆炸」後,留下中子星,其中所有的電子、質子都被重力壓縮合併成中子,可以想見重力有多麼巨大!如果要形成黑洞,需要的重力又比中子星的更巨大,連中子都被壓縮,形成一個密度無限大的「奇異點」,位於黑洞中心,它是一個以目前的物理還無法解釋到底是什麼的「點」。

黑洞與中子星是宇宙中密度最大及次大的天體,如果彼此互繞又合併,放出的重力波一定有機會看得到。果不其然,2015 年 9 月,LIGO 團隊首度偵測到的重力波,訊號就來自距離地球約 13 億光年的一次黑洞合併事件,兩個黑洞的質量分別約為 36 倍太陽質量和 29 倍太陽質量。這個結果讓全世界的物理學家都震驚了,因為這是重力波真正存在的第一個鐵證!

接下來的兩年內,LIGO 及 VIRGO 又陸續觀測到三次黑洞合併事件引起的重力波,還在 2017 年 8 月首次觀測到由中子星合併事件引起的重力波!由於中子星會放出可見光,科學家利用其他望遠鏡對這次的合併事件的觀察結果,也得到許多珍貴的新發現,例如重金屬元素的形成。

LIGO 與 VIRGO 並非世界上僅有的重力波探測計畫。科學家會利用分布世界各地的無線電波望遠鏡,組成波霎定時陣列(PTA),由於波霎就像極為精準的燈塔一樣,隔著固定的時間間距放出無線電波,因此,如果波霎受到重力波的影響,導致放出的無線電波傳遞到地球的距離有了一點點改變,就會使它來到地球的時間提早或延遲一點點,科學家可以透過觀察這個微小的時間差來搜尋重力波。

另一方面,歐洲太空總署預計在 2030 年發射「雷射干涉儀太空天線」(LISA),包含三個太空船,彼此相距 250 萬公里,利用和 LIGO 類似的設計,從彼此間傳遞的雷射光干涉結果來尋找重力波。這幾個重力波探測計畫針對的重力波頻率各有不同,因此可以找到不同的重力波源,重力波的頻率愈低,愈可能是質量愈大的黑洞或中子星合併事件,因為系統所占空間愈大,彼此繞行一圈要花的時間也愈久,放出重力波的周期也跟著愈長。

雷射干涉儀太空天線(LISA)示意圖。在太空中的三個相距 250 萬公里的探測器會朝彼此放出雷射光,當有重力波經過造成空間擾動,使太空船間的距離改變時,會影響雷射光的干涉結果。
圖片來源│NASA

重力波:探索天文的新神器!

在探尋重力波的路途上,黑洞扮演著重要的角色,宇宙中的黑洞合併事件讓我們有了窺探重力波的機會。反過來,在科學家證實重力波的存在,並且一次次探測到重力波之後,也準備利用重力波來研究天文,這是因為重力波在傳遞過程中,不會受到任何物體的干擾,不像光或粒子容易被擋住,所以重力波可以將波源的訊息,例如合併事件中的黑洞質量及自旋,完整的傳遞出來。因此,重力波是研究黑洞、甚至是其他天文課題的好工具。

在我們千辛萬苦找到重力波之後,重力波反轉角色,從被觀察的對象,變成研究天文的好工具。

舉例來說,從重力波的觀測,我們看到了許多雙黑洞合併的事件,這或許可以對於 「超大質量黑洞」 起源提供佐證。

多數黑洞的質量落在幾十個太陽質量的範圍,通常是恆星死亡所造成,然而宇宙中有許多質量比這大很多的超大質量黑洞,例如銀河系中心的黑洞有 400 萬倍太陽質量,前陣子由中研院天文所拍攝到首張黑洞照片的主角 ── M87 星系中心的黑洞,更是高達 65 億倍太陽質量。這些大得讓人無法想像的黑洞,起源一直令人好奇。目前主流認為,它們是由普通黑洞彼此不斷合併而逐漸形成的。

另一方面,重力波也可望在吳建宏目前所研究的 「太初黑洞」」(primordial black holes)課題上,提供重要的協助。

太初黑洞最早是 1970 年代由霍金所提出,指的是宇宙剛剛形成時產生的黑洞。當時宇宙還沒有任何天體形成,只有一些物質分布,有些地方分布得比較緻密,就可能塌縮產生黑洞。

這些太初黑洞和目前所知的黑洞不太一樣,質量可以非常的小,只有 1012 公斤,大約是地球上一座冰山的質量。因為黑洞會不斷放出輻射而蒸發,這麼小的黑洞,蒸發速度很快,如今應該幾乎都消失了。

那麼,重力波如何能幫忙找到太初黑洞呢?關鍵是:太初黑洞是早期宇宙中物質分布比較緻密的地方,在形成時物質的分布是不對稱的。如前面所說,不對稱的系統會放出重力波。儘管這些小小的黑洞可能都蒸發消失了,但曾經發出的重力波不會消失。如果太初黑洞數量夠多,產生的重力波疊加起來,我們應該有機會觀察得到。換句話說,重力波能夠為太初黑洞的存在與否提供佐證。

太初黑洞可能很迷你,卻留下了永遠不會被抹滅的重力波訊號。

總之,重力波的研究才剛剛開始,但物理學家們都非常看好,引頸期盼它能帶來更多驚喜!

中研院物理所吳建宏研究員,以深厚的學養、推廣科學的使命感,將高深的重力波學理,轉化為生動好懂的科普演講,在 2019 年中研院院區開放日與民眾分享。
攝影│林洵安

延伸閱讀

  • 〈探測宇宙科學原理--重力波偵測器的概念與技術〉,《科學月刊》第 578 期。
  • 〈傳頌大霹靂的重力波〉,《科學人》第 141 期。
  • 吳建宏個人網頁

(本文經 研之有物 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈重力波,I got you!那場黑洞合併事件出賣你了 〉。)

你可能有興趣


科技報橘 LinkedIn 上線!

最新科技產業動態、技術新突破、專業職能技巧提升 ....... 鎖定 TO  LinkedIn 專業品牌,提升職能與產業 Know-how,躋身產業菁英之列 https://www.linkedin.com/showcase/techorange

點關鍵字看更多相關文章: