【探索宇宙新視界】黑洞生命最後 0.2 秒誕生的「重力波天文學」,開啟天文學新分支

(圖片來源:LIGO

【我們為什麼挑選這本書】過去人類觀測宇宙都是使用電磁波,然而電磁波作用的範疇有限;愛因斯坦發表廣義相對論時,更大膽預言重力波的存在,此後人們一直在嘗試透過重力波觀察天體系統。在廣義相對論中,重力波就是時空的漣漪,由於與其他物質的相互作用相當弱,使得其可以幾乎不衰減的持續傳播,而成為觀測宇宙大爆炸的唯一方式。

本文從 《沙灘上的愛因斯坦,生活中的相對論》 一書中摘錄「尋找愛捉迷藏的重力波」一章,從廣義相對論開始,介紹重力波天文學誕生的歷史,再更深入討論「重力波天文學」將帶給人類探索宇宙哪些可能性。(責任編輯:呂威逸)

一九一六年,愛因斯坦剛完成廣義相對論不久,就預言了重力波的存在。重力波是一種在彈性介質中以光速傳播的振動,這裡的彈性介質就是時空本身。兩年後他將這種現象公式化,不過這項工作卻引起許多討論,連愛因斯坦本人都抱持懷疑,直到一九五○年代學界才一致認可其存在。這種重力場的波動可因巨大質量天體的快速不對稱運動產生,例如巨大恆星的超新星爆炸,或是天體群、高密度天體或黑洞近距離以高速互繞、直到融合或合併為止。麻煩的是,即使是如此極端劇烈的現象,也只能產生些微的波動,很難直接觀測到……

一九七四年,赫爾斯和泰勒首先經由脈衝雙星的觀測,間接證實重力波的存在。脈衝雙星是由兩顆中子星構成的雙星系統,公轉週期已經能被精確測量(約七小時四十五分)。然而這幾十年的觀測發現,此週期以每年七十六點五微秒的速度減少中。也就是說這兩個天體彼此愈繞愈快,同時逐漸靠近(以每年幾公尺的速度)。這樣的趨勢看來,它們應該會在幾億年後相撞……這種微小變化與廣義相對論完全一致:中子星的快速移動產生重力波,導致系統失去能量。赫爾斯和泰勒因首次發現重力波的間接證據,一九九三年獲得了諾貝爾物理學獎。其他脈衝雙星的觀測,之後也得出同樣結論。

來嘗試探測吧!科學家聯手打造探測器,比質子還小的變化也測得到!

自一九五○年代以來,天文學家一直希望能直接探測到這種難以捉摸的波。這可是非常複雜的工作,重力波的穿越在時空幾何中只會造成一點輕微振盪,讓兩個「固定」物體間的距離有極微弱的變化。這種波的預期振幅(定義為兩點距離的相對變化)大概只有 10-21 左右。也就是說,兩個相隔一百公里的物體,距離變化會只有 10-16 公尺上下,比質子還小!所以關鍵在於,不管變化有多小,都要能檢測到。一九六○年代始已有初步的相關技術研發。美國馬里蘭大學物理學家約瑟夫.韋伯(Joseph Weber)建造了第一個「探測器」,外觀像一個巨大的鋁製圓柱體(長兩公尺,直徑五十公分),據說重力波通過時會產生共振效應。儘管韋伯聲稱有幾次得到了結果,但後來都被推翻,因為這個裝置的靈敏度並不足以探測可能出現的重力波。

之後的十年,物理學家意識到雷射干涉儀在測量極微小位移中的無限潛力。包括任職於加州理工學院的基普.索恩(Kip Thorne)等科學家,發起了大型探測器基地計劃,以長距離發射雷射光束,這個計劃就是 LIGO。美國國家科學基金會(National Science Agency)曾表示,LIGO 是有史以來最昂貴的科學計劃(差不多是伊拉克戰爭一小時的預算)。這個探測器與歐洲(主要是法國和義大利)的 VIRGO 探測器(見下頁,圖十九)合作,兩方的合作者也在發表首次探測結果時聯合署名。其他類似的項目還有德國的 GEO600(六百米雷射干涉臂重力波探測器)和日本的 KAGRA(神岡重力波探測器)。

美國的 LIGO 實驗設備包括兩組相距三千公里的「重力干涉儀」(重力波傳播時間為十毫秒),一組在華盛頓州,另一組在路易斯安那州。二○○二年開始運作並持續到二○一○年,二○一五年升級成「LIGO 加強版」後再重新運作。

(圖十九:VIRGO 干涉儀圖解;台灣商務印書館提供)

LIGO 的兩組干涉儀各有一塊可將超穩定雷射分成垂直兩道光束的分光鏡(註 1)。這兩束光會各自通過一條很長的干涉臂(四公里的超高真空管),直達另一端的反射鏡。為避免地震干擾,反射鏡是以懸空方式隔離地面。透過連續反射,光束可在干涉臂內來回多次(最高有效長度為一千兩百公里),抵達探測器時,就會因光程差產生干涉條紋。這個實驗的主要原理是,當重力波通過時,其中一條干涉臂的長度一定會發生變化(約 10-18 公尺),雖然這個變化很微弱(比質子還小!),但可以觀測到干涉條紋所產生的變化。不過要讓探測進行還得克服雜訊干擾,像是熱雜訊、地震雜訊(除非把探測器搬到太空中,不然無法完全擺脫)、其他雜訊等,這些都會影響到數據的正確性。只有先進技術才能解決這些難題。

註 1:實驗裝置中有很多塊分光鏡,但每組裝置中能垂直分光的只有一塊。

重力波的特性反映在振幅和頻率上。VIRGO 和 LIGO 可探測振幅大於 10-21、頻率介於十到一千赫茲的重力波,由於地面振動(地震雜訊)干擾的緣故,頻率無法再下探。這些數字決定了只有哪些特定現象能剛好被探測器捕捉到。例如某顆恆星在銀河系中重力塌縮後變成黑洞(這種事百年發生不到一次),或是遠處有幾顆彼此靠近的天體(中子星或黑洞)相撞的過程。

歷史性的宣布:人類捕捉到黑洞生命中的最後 0.2 秒

二○一六年二月十一日,LIGO 和 VIRGO 兩團隊共同發出歷史性的宣布。這分別是兩個質量為太陽的三十六倍和二十九倍的黑洞相撞後融合的全紀錄,接收的訊號與此事件的計算結果非常符合。從訊號強度推算,這個事件發生在離地球光度距離四百萬秒差距的某處,相當於十三億光年。

這兩個黑洞先以旋近形成互繞軌道,但能量隨著重力波的散播而逐漸散失,軌道便愈縮愈小直到相撞,合併成單一黑洞。其質量(太陽質量的六十二倍)比原先兩個黑洞的總和還小,合併前後的質量差異轉化為重力波散播出的能量,是「質能等效」(E = mc2)的完美範例!

法國物理學家蒂博.達穆爾(Thibault Damour)是最早計算此現象的人之一。他說:「每一個觀測到的現象,都對應於稍縱即逝的某個瞬間,眨眼即逝。」。這兩個黑洞已經互繞了幾億年,我們剛好記錄到在它們生命中的最後零點二秒,也就是融合前的最後一次互繞。這些訊號被我們接收前已在宇宙漫遊了十多億年。要注意的是,重力波是由重力產生,但重力波自身也會產生重力,這樣累加起來的相互作用會呈現非線性的結果(所以計算非常複雜),正如廣義相對論描述的那樣。

Photo by Bryan Goff on Unsplash

重力天文學,終於誕生了!

這個探測備受期待已久。無論如何,這個發現驗證了愛因斯坦理論和重力波的存在。雖然已經沒幾個人懷疑,但能直接探測總是比較有說服力。最重要的還是確認了黑洞的存在,在那之前都只有間接證據。這次觀測的信號顯現了黑洞的特性,更直接證實黑洞的存在。讓人跌破眼鏡的是這些黑洞的質量居然如此之大,在我們發現可能有黑洞的 X 光源中,從未有質量超過十五倍太陽質量的!以前總認為質量這麼大的黑洞很罕見,現在一次就發現兩個!這麼重的黑洞,不可能從兩個質量不超過三倍太陽質量的中子星合併而來。唯一可能成因,是從一顆質量至少為太陽一百倍的恆星爆炸(超新星)而來的(內部塌縮形成黑洞)。第一次成功探測後不久,第二次緊接而來。這次是兩個質量各為太陽十四倍和七倍的黑洞,合併成一個質量為太陽二十一倍的單一黑洞。這些發現讓我們得以重新審視恆星的形成和演化理論,因為先前總認為質量這麼大的天體應該很罕見。這種全新的天文學、重力波天文學,就在我們面前誕生了!

重力天文學帶起雄心勃勃的太空探測計劃

由於天文學這門新分支的出現,以地表探測器進行一系列定期觀測是意料中的事,但重力天文學還包括了太空探測。起頭的是雄心勃勃的演化雷射干涉太空天線計劃(eLISA, evolved Laser Interferometer Space Antenna)(見圖二十),這種「重力天線」與地表探測器都基於相同原理。eLISA 是由三組可自由浮動並搭配反射鏡的探頭組成,探頭間以雷射(在太空中就不需要真空腔了)連接並維持高穩定性(相對位移被控制在微米程度)。這些探頭形成了一個巨大、邊長兩百五十萬公里的正三角形,若是重力波通過,就會稍微變形。天線內建「延遲補償」系統,確保反射鏡不會受衛星帆版的各種干擾(太陽風、宇宙射線或塵埃等)。得益於二○一五年十二月於庫魯(Kourou)啟動,為測試未來探測器的設計與靈敏度的 LISA 探路者計劃(LISA Pathfinder),該「延遲補償」系統獲得驗證。

eLISA 將會在二○三○年左右升空,並放上日心公轉軌道(註 2)。這組太空探測器會探索當前地表探測器觀測不到的低頻率範圍(eLISA 是鎖定零點零零零一到零點一赫茲間的波段)。根據目前預測,eLISA 可用來觀測由高密度天體(黑洞、中子星和白矮星)組成的雙星系統,帶來更多關於黑洞的物理學資訊,甚至觀測到原始宇宙遺留的重力波。由於靈敏度夠高,不用擔心測不到,反而要想辦法從大量獲取的數據中辨認出真正的訊號。這個計劃首先觀測一些已觀測過的訊號源,如脈衝雙星等,以驗證探測器的性能。但當然也會觀測其他類型的訊號源,特別是黑洞的合併(像 LIGO 觀測到的),eLISA 也會在接下來更長的時間內觀測其過程(也能找出這些現象的發生處)。無論如何,真正的黑洞天文學應該就此誕生!

註 2:根據該提案,eLISA 離地球不會太遠,但是繞日公轉週期會稍長(四百天),所以不算跟地球共用軌道。

(圖二十:eLISA 計劃原理;台灣商務印書館提供)

同時還有脈衝星這種「天然時鐘」可用,因為目前的訊號觀測已有很高的精確度。分散在太空中的脈衝星組成的系統,可被當成一種星系級天然重力波探測器,這樣的探測器對低於百萬分之一赫茲的波段有很高的靈敏度。如此一來,所有重力天文學該有的工具都補足了。在不久的將來,脈衝星的相關分析將可讓路過的重力波現出原形。

此外,早期宇宙在復合階段前的各種過程,無論是在原始階段、膨脹階段、原始波動生成階段,都可能產生「原始重力波」。雖然以我們目前的物理學程度還無法完全理解,但這是今日頗為流行的想法。而這些重力波可以自由傳播,會因宇宙膨脹而稍微衰減(有點像 CMB 中的電磁波),並在宇宙背景輻射中留下蛛絲馬跡。甚至這種波可能已被改變極性(一種電磁輻射的特性)。觀測這些痕跡應該能獲得一些重要資訊。這就是為何在二○一四年三月,某個美國研究團隊聲稱探測到這種波後,引起如此多騷動,尤其是那些覺得這可能是宇宙暴脹證據的人(inflation cosmique,宇宙最初超快速膨脹階段的假說)。最後結果還是被推翻了。宇宙學家已迫不及待有朝一日能探測到微弱訊號的消息……

(本文書摘內容出自《沙灘上的愛因斯坦,生活中的相對論》,由 台灣商務印書館 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題。)

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