【時事焦點】愛因斯坦預測成真:首次偵測到重力波訊號

圖片來源:LIGO
圖片來源:LIGO

■美國的LIGO實驗(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,雷射干涉重力波觀測站)於2016年2月12日發表了他們最新的實驗結果,宣佈首次直接觀測到重力波的訊號。

撰文|陳勁豪

重力是自然界目前已知的四大作用力中最弱的一種(另外三種分別是電磁作用,弱作用,強作用)。自從牛頓於1687年在《自然哲學的數學原理》一書中發表了他的萬有引力定律之後,人類首次知道蘋果落下跟月球繞地球轉遵循著同樣的物理定律。

到了1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論,用數學方程式來描述了重力與時空的關係。從此重力不單只是兩個物體之間相互吸引的作用力,而可以用時間與空間的扭曲程度來表示。從愛因斯坦的廣義相對論出發,可以推導出許多特別的現象,例如黑洞,重力透鏡等結果。這些結果紛紛得到實驗觀測證實,廣泛驗證了廣義相對論的正確性。

根據廣義相對論,質量相當大的物體(例如黑洞)在運動時會改變周圍的時空曲率,也就是對周圍的時空結構進行扭曲。這個扭曲的變化會以波的形式以光速對外傳播。因此,愛因斯坦在1916年,提出了重力波的概念。

這個概念看似複雜,卻可以用一個簡單的日常現象來表示。如果我們有一個平靜無波的池塘。當我們把一個石頭丟入這個池塘的時候,我們會看到水面產生一圈一圈的漣漪。這時石頭就相當於是重力波理論中的運動中的極重物體,水面就相當於是周圍的時空結構,傳出的水波就相當於是重力波。

所以理論上來說,測量重力波的方法很簡單。當物質接受到重力波的時候,會因為重力波所造成的時空扭曲而產生形變。所以我們只要能夠觀測到測量儀器因為重力波所產生的形變,就可以看到重力波。但是根據廣義相對論預測,重力波的強度相當小,因此要觀測到重力波所對應的微小變化,需要相當特別靈敏的偵測器。

LIGO便是針對偵測重力波所設計的偵測器。LIGO的全名是雷射干涉重力波觀測站(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)。所以顧名思義,是用雷射所產生的干涉現象來觀測重力波。LIGO是個L型的偵測器,分別由各為4公里長並且相互垂直的兩臂所組成。一道雷射在兩臂的交點處被分為相位相反的兩束雷射,各自經過四公里的光路後,被光路盡頭的反射鏡反射回原處,並在兩臂交點處疊加在一起。如果兩束雷射在兩臂之間經過了完全相同的距離,那麼當這兩束雷射疊加之後,會因為相位完全相反而相互抵銷。如果重力波通過了這個光路末端的反射鏡,由於重力波會扭曲反射鏡周圍的時空,因此光路會有所改變,使得兩束雷射疊加時並不完全同調,而不會完全抵銷。這時便可以觀測到重力波訊號。

由重力波訊號所造成的改變相當小,所以LIGO要用各種方法來減低系統噪聲。LIGO可以在他們的實驗頻率範圍內把雜訊壓制到應變程度(strain)達到10^-23的水準。約略相當於測量一個光年的距離,其精準度可以達到一根頭髮的寬度。相對於這次所測量到的應變量約只有10^-21,不難想見其實驗對儀器靈敏度的苛求。

而為了證實重力波的訊號不是因為系統雜訊所導致,因此LIGO在美國華盛頓州的Hanford與路易斯安那州的Livingston建立了一套完全一樣的偵測器。這兩個實驗站的距離約3000公里,如果重力波以光速傳播,這兩者測量到的時間差將約略在0.01秒左右。因此這兩套系統會約略同時偵測到同樣的訊號。這樣可以相互驗證觀測到的訊號,並減低因為假訊號而誤判的機率。

LIGO實驗的兩座偵測器在2015年9月14日9:50:45 UTC同時觀測到了短暫而清楚的重力波訊號。訊號首先在Livingston被觀測到,而在0.007秒之後,Hanford也觀測到了接近完全一致的訊號。

這段測量到的重力波訊號的頻率在0.1秒內由35Hz上升到250Hz。測量到的應變(strain)改變量最大值約為1x10^-21。測量結果與愛因斯坦廣義相對論的計算相符合。根據理論模擬,這個訊號很有可能是兩個質量分別為36及29個太陽質量的黑洞相互吸引並融合成一個62個太陽質量的黑洞的過程。另外有相當於三個太陽質量的能量則以重力波的形式傳遞出去,也就是這次LIGO所觀測到的訊號。這也是首次直接觀測到黑洞雙星系統融合的過程。根據模擬的結果,這個系統距離我們約13億光年。LIGO團隊甚至可以根據測量到的重力波波形來判讀出兩個黑洞融合過程中相互繞行旋轉並逐漸融合為一體的過程。

這次量到的重力波所發出的頻率在35到250Hz之間,完全落在人耳可聽見的範圍內。因此LIGO的科學家把這個重力波的"音量"放大到人耳可以聽見的程度,但是卻不改變其頻譜,聽到的「重力波之聲」就有如下面影片所發出的聲音。仔細聽的話,會聽到約略類似「呼呼」或「咻咻」,一段短暫而上揚的聲音。

這次的實驗結果不但直接驗證了重力波的存在,同時也是科學家直接觀測到黑洞雙星系統的存在。在LIGO觀測到重力波之後,更精準的測量將可以回答廣義相對論及宇宙學上的許多重要問題。例如重力波是否的確是以光速傳播?宇宙的時空結構是否有可能由「宇宙弦(cosmic strings)」所構成?是否可以觀測到由中子星所形成的雙星系統所發出的重力波?這些問題將有待未來的重力波實驗來回答。

原始論文
Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 116, 061102 – Published 11 February 2016

參考資料
1. LIGO https://www.ligo.caltech.edu/
2. Nature News 2016/02/09: Gravitational waves: 6 cosmic questions they can tackle

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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