重力波到底是什麼?很重要嗎?精美圖解與模擬影片讓你秒懂科學家如何測量重力波

2019-10-21 14:44

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重力波的研究雖然才剛剛開始,但物理學家們都非常看好。(圖/研之有物)

重力波的研究雖然才剛剛開始,但物理學家們都非常看好。(圖/研之有物)

重力波與黑洞

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?

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!

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/R. Hurt/Caltech-JPL)
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/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。如果有重力波經過,就會出現干涉條紋。(圖說設計/黃曉君、林洵安)
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。如果有重力波經過,就會出現干涉條紋。(圖說設計/黃曉君、林洵安)

看見了!黑洞在合併

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。

黑洞和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。

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)
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!

文/郭雅欣

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。(原標題:重力波,I got you!那場黑洞合併事件出賣你了)

責任編輯/柯翎肇

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