【天文焦點】估計重力波的背景雜訊

當LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,雷射干涉重力波觀測站)於今年初宣佈偵測到首例重力波事件後,便多了不少研究的課題。其中之一便是估計了由黑洞合併所造成的重力波雜訊的強度。

圖片來源:LIGO
圖片來源:LIGO

撰文|陳勁豪

今年二月LIGO宣佈他們在2015年的九月14日發現到由兩個質量分別是29個和36個太陽質量的黑洞合併所放出的重力波(稱為GW150914)。這個發現除了證實黑洞的存在之外,另外也顯示這種兩個黑洞合併的情形或許比物理學家過去的估計更為頻繁。

如果這種黑洞合併的情形在宇宙中並不罕見,那表示宇宙中可能隨時隨地都有黑洞正在合併並放出重力波。這些釋放出的重力波的總和會變成LIGO未來觀測重力波的背景雜訊。透過研究這些重力波所產生的背景雜訊,物理學家可以研究黑洞如何產生,如何合併。當我們可以對這些背景雜訊作精準測量之後,便更可以把這些背景雜訊去除,以量得其他更微弱的訊號,進而增加我們對宇宙的認識。

過去由於沒有實驗數據佐證,黑洞合併所造成的重力波背景雜訊的強度只能由物理學家自行估計,但是由於發現了GW150914,儘管只有一個事件,但卻可以讓物理學家有個參考的基準。

首先,LIGO去年運轉的總時數中總共發現了一個事件,也就是GW150914,他們估計每年大約可發現16個類似的事件。透過分析GW150914,他們得知兩個黑洞的大小分別是29跟36太陽質量。假設黑洞對(black hole binary)的質量分佈是依據高斯分佈,而這次發現的黑洞對約略是落在黑洞平均質量的附近。LIGO的科學家估計黑洞對的平均質量大約落在20 個太陽質量附近,並可以依此推算黑洞對出現的機率與分佈情形,同時計算所產生的重力波的總強度,也就是重力波的背景雜訊。

計算結果顯示,根據GW150914觀測結果所進行的估計,重力波背景雜訊的強度大約是過去估計值的十倍。而LIGO跟位於歐洲的Virgo實驗,在未來都將逐步完工並陸續提昇其靈敏度。LIGO跟Virgo認為,依照這個估計,五年後兩個實驗應該可以偵測到這個重力波的背景雜訊。

當然這是根據目前唯一一個重力波事件所推估出來的結果,在未來很有可能根據觀測到的數據而持續修正。但是這個結果對物理學家而言,還是相當振奮人心,因為這表示對黑洞所放出的重力波的測量已經不再是遙不可及,而是已經到了約略可以看見努力目標的階段。

原始論文
GW150914: Implications for the Stochastic Gravitational-Wave Background from Binary Black Holes
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 116, 131102

Physics World 2016/04/05: Gravitational background noise could be much louder than expected

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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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