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    有公开验证的平特一肖:重力波到底是什么?和黑洞又有什么关系?

    重力波示意图。 当物体加速度前进时 (如两个超大质量星体互绕),会使空间的扭曲发生变化、产生「涟漪」,这就是「重力波」。 图片来源│R. Hurt/Caltec

    重力波示意图。 当物体加速度前进时 (如两个超大质量星体互绕),会使空间的扭曲发生变化、产生「涟漪」,这就是「重力波」。 图片来源│R. Hurt/Caltech-JPL

    雷射光被分光镜分成两道,分别沿着两根管子前进,经由管末的反射镜反射四百趟之后,两道雷射光会在出发的交角处会合并互相干涉。 如果没有重力波,两道光程一样(两根管长

    雷射光被分光镜分成两道,分别沿着两根管子前进,经由管末的反射镜反射四百趟之后,两道雷射光会在出发的交角处会合并互相干涉。 如果没有重力波,两道光程一样(两根管长一样),不会出现干涉条纹。 如果有重力波经过,光程不同(管长些许不同),就会出现干涉条纹,藉此侦测出重力波。 数据源│ LIGO will be getting a quantum upgrade 图说设计│黄晓君、林洵安

    雷射干涉仪太空天线 (LISA) 示意图。 在太空中的三个相距 250 万公里的探测器会朝彼此放出雷射光,当有重力波经过造成空间扰动,使宇宙飞船间的距离改变时,

    雷射干涉仪太空天线 (LISA) 示意图。 在太空中的三个相距 250 万公里的探测器会朝彼此放出雷射光,当有重力波经过造成空间扰动,使宇宙飞船间的距离改变时,会影响雷射光的干涉结果。 图片来源│NASA

    台湾中研院物理所吴建宏研究员,以深厚的学养、推广科学的使命感,将高深的重力波学理,转化为生动好懂的科普演讲,在 2019 年中研院院区开放日与民众分享。 摄影│

    台湾中研院物理所吴建宏研究员,以深厚的学养、推广科学的使命感,将高深的重力波学理,转化为生动好懂的科普演讲,在 2019 年中研院院区开放日与民众分享。 摄影│林洵安

    (神秘的地球www.jzhyy.tw报道)据《研之有物》(采访编辑:郭雅欣 美术编辑:林洵安):若说起近年科普界最火红的关键词,绝对少不了「重力波」。 重力波爆红的原因,无非是位于美国的雷射干涉仪重力波观测站( LIGO )在 2015 年首度观察到来自一场黑洞合并事件引起的重力波,并于 2017 年获得诺贝尔物理奖的肯定。 重力波到底是什么? 和黑洞又有什么关系? 2019年台湾中研院院区开放日,中研院物理所吴建宏研究员的精彩演讲「利用重力波探测宇宙黑洞」,要跟大家聊聊重力波大小事。

    重力像水波?

    宇宙万物之间都有重力,比如说,地球是因为具有重力,才能把我们「吸」在地表上;太阳是因为具有重力,才能让八大行星不断绕着它公转。

    不过,爱因斯坦的广义相对论中,认为重力是来自空间的扭曲,质量愈大的物体,周围的空间就扭曲的愈厉害。 而当物体加速度前进时,则会使空间的扭曲发生变化、产生「涟漪」,这就是「重力波」。 吴建宏形容:「就像水中的涟漪那样,水波是依赖着水而存在,重力波则是依赖着空间而存在。 」

    既然宇宙中有那么多天体,而且质量大的也不少,可以想象我们所处的「空间」到处都是重力波,一点也不平滑,反而可能像处处水波荡漾的大池塘,真是颠覆直觉!

    既然重力波到处都是,为什么在爱因斯坦 1916 年提出重力波之后,我们相隔了约100年,才终于透过 LIGO 找到了它存在的证据呢?

    因为重力波能引起的「波动」非常的小,科学家估计即使是剧烈的天体合并事件,能引起的重力波所造成的空间扰动,传递到地球时,数量级也顶多只有 10-12 比 1,换算下来,一个一公里长的物体, 因为重力波而造成的改变量只有千分之一个原子核直径那么长而已,也难怪爱因斯坦在提出重力波之后,曾说过「我们可能永远测量不到重力波的存在。 」不过,幸好如此,我们才不会感觉自己一下子变矮、一下子又变胖,对吧?

    尽管连爱因斯坦都没把握测得到,但不要小看科学家的斗志。 既然波动很小,我们就设计超级精密的仪器来测量它! 在科学家大无畏的精神下制造出的 LIGO ,精确度数量级硬是高达了 10-22 !

    「在爱因斯坦提出重力波的一百年后,我们终于找到了重力波存在的证据」

    LIGO 的完美 L

    科学家是怎么做到的呢? 答案就在 LIGO 超特别的设计里。 LIGO 包含了一组相互垂直、呈 L 形的两根管子,每根管子的长度都是4公里。 一开始,从交角处出发的雷射光,会被分光镜分成两道,各自沿着两根管子前进,再由管末的反射镜反射回来。 雷射光来回反射四百趟之后,会在交角处会合并互相干涉。

    在没有重力波的情况下,从两根管子回来的雷射光走的路程长度完全相同,在干涉过程中会彼此抵消,不会产生讯号。 但如果重力波引起空间扭曲,就可能对两根管子的长度产生影响,拉伸或压缩了一点点,两道雷射光的光程就会有些微不一样,回到交角处时的相位也会有一点点差异,这一点点的差异就足以让 LIGO 精密的干涉仪器产生干涉讯号,让科学家知道: 「嘿! 刚刚有重力波经过这里! 」

    换言之,尽管重力波能产生的空间扰动超级小,但 LIGO 把雷射光的光程拉得超级长,尽可能把重力波造成的空间扰动放大到可观测的程度,然后等待足够大的重力波来临时,就是我们窥探它的好机会。

    看见了! 黑洞在合并

    当然,尽管我们用 LIGO 这样的仪器做了万全的准备,要看到「足够大」的重力波,还得有天时地利的帮助才行。 重力波虽然可以穿透万物,不像光一样容易被挡住,但若波源太远,波的强度还是会随着距离逐渐减弱,所以得有一个距离地球不太远,又能产生明显重力波的波源才行。

    此外,要产生重力波,需要天体系统在旋转时的「轮廓」产生变化,也就是这个系统本身的外观愈不对称愈好。 如果是一个球状对称的天体在自转,或者天体很平均的向内塌缩,是不会产生重力波的。 反过来说,一个双星系统彼此绕行最后合并的过程,由于双星位置一直变换,整个系统的不对称性高,因此产生的重力波就会比较明显,所带出的能量也会比较大,相对容易观测。 既然如此,最可能产生重力波的事件,就莫过于「黑洞合并」及「中子星合并」了。 以下是以计算机仿真两个黑洞合并事件以及在过程中发出的重力波。

    黑洞和中子星都可以是恒星老年死亡后塌缩下的产物。 恒星倚赖核心的物质进行核融合反应,来抵抗自身重力,一旦迈入老年,内部的核融合燃料渐渐减少,就会抵抗不了重力,整个球体往内塌缩成更小的球体。 如果恒星的质量够大,最后会在一场「超新星爆炸」后,留下中子星,其中所有的电子、质子都被重力压缩合并成中子,可以想见重力有多么巨大! 如果要形成黑洞,需要的重力又比中子星的更巨大,连中子都被压缩,形成一个密度无限大的「奇异点」,位于黑洞中心,它是一个以目前的物理还无法解释到底是什么的「点」。

    黑洞与中子星是宇宙中密度最大及次大的天体,如果彼此互绕又合并,放出的重力波一定有机会看得到。 果不其然,2015 年 9 月,LIGO 团队首度侦测到的重力波,讯号就来自距离地球约 13 亿光年的一次黑洞合并事件,两个黑洞的质量分别约为 36 倍太阳质量和 29 倍太阳质量。 这个结果让全世界的物理学家都震惊了,因为这是重力波真正存在的第一个铁证!

    接下来的两年内,LIGO 及 VIRGO 又陆续观测到三次黑洞合并事件引起的重力波,还在 2017 年 8 月首次观测到由中子星合并事件引起的重力波! 由于中子星会放出可见光,科学家利用其他望远镜对这次的合并事件的观察结果,也得到许多珍贵的新发现,例如重金属元素的形成。

    LIGO 与 VIRGO 并非世界上仅有的重力波探测计划。 科学家会利用分布世界各地的无线电波望远镜,组成波霎定时数组(PTA),由于波霎就像极为精准的灯塔一样,隔着固定的时间间距放出无线电波,因此,如果波霎受到重力波的影响,导致放出的无线电波传递到地球的距离有了一点点改变, 就会使它来到地球的时间提早或延迟一点点,科学家可以透过观察这个微小的时间差来搜寻重力波。

    另一方面,欧洲太空总署预计在 2030 年发射「雷射干涉仪太空天线」(LISA),包含三个宇宙飞船,彼此相距 250 万公里,利用和 LIGO 类似的设计,从彼此间传递的雷射光干涉结果来寻找重力波。 这几个重力波探测计划针对的重力波频率各有不同,因此可以找到不同的重力波源,重力波的频率愈低,愈可能是质量愈大的黑洞或中子星合并事件,因为系统所占空间愈大,彼此绕行一圈要花的时间也愈久,放出重力波的周期也跟着愈长。

    重力波:探索天文的新神器

    在探寻重力波的路途上,黑洞扮演着重要的角色,宇宙中的黑洞合并事件让我们有了窥探重力波的机会。 反过来,在科学家证实重力波的存在,并且一次次探测到重力波之后,也准备利用重力波来研究天文,这是因为重力波在传递过程中,不会受到任何物体的干扰,不像光或粒子容易被挡住,所以重力波可以将波源的讯息, 例如合并事件中的黑洞质量及自旋,完整的传递出来。 因此,重力波是研究黑洞、甚至是其他天文课题的好工具。

    「在我们千辛万苦找到重力波之后,重力波反转角色,从被观察的对象,变成研究天文的好工具。 」
    举例来说,从重力波的观测,我们看到了许多双黑洞合并的事件,这或许可以对于「超大质量黑洞」起源提供左证。

    多数黑洞的质量落在几十个太阳质量的范围,通常是恒星死亡所造成,然而宇宙中有许多质量比这大很多的超大质量黑洞,例如银河系中心的黑洞有 400 万倍太阳质量,前阵子由中研院天文所拍摄到首张黑洞照片的主角 ── M87 星系中心的黑洞, 更是高达 65 亿倍太阳质量。 这些大得让人无法想象的黑洞,起源一直令人好奇。 目前主流认为,它们是由普通黑洞彼此不断合并而逐渐形成的。

    另一方面,重力波也可望在吴建宏目前所研究的「太初黑洞」」(primordial black holes) 课题上,提供重要的协助。

    太初黑洞最早是 1970 年代由霍金所提出,指的是宇宙刚刚形成时产生的黑洞。 当时宇宙还没有任何天体形成,只有一些物质分布,有些地方分布得比较致密,就可能塌缩产生黑洞。

    这些太初黑洞和目前所知的黑洞不太一样,质量可以非常的小,只有 1012 公斤,大约是地球上一座冰山的质量。 因为黑洞会不断放出辐射而蒸发,这么小的黑洞,蒸发速度很快,如今应该几乎都消失了。

    那么,重力波如何能帮忙找到太初黑洞呢? 关键是:太初黑洞是早期宇宙中物质分布比较致密的地方,在形成时物质的分布是不对称的。 如前面所说,不对称的系统会放出重力波。 尽管这些小小的黑洞可能都蒸发消失了,但曾经发出的重力波不会消失。 如果太初黑洞数量够多,产生的重力波迭加起来,我们应该有机会观察得到。 换句话说,重力波能够为太初黑洞的存在与否提供左证。

    「太初黑洞可能很迷你,却留下了永远不会被抹灭的重力波讯号。 」

    总之,重力波的研究才刚刚开始,但物理学家们都非??春?,引颈期盼它能带来更多惊喜!




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