重力波探測新發現,首次展示黑洞碰撞後時空彎曲的三維圖樣

互相繞著旋轉的兩個黑洞。最終兩個黑洞將融合,產生引力波。(繪圖:Alamy Stock Photo)

科學家利用 Ligo 和 Virgo 兩個重力波天文台,觀測到黑洞碰撞後引起的時空漣波,首次在三維尺度上記錄了時空彎曲的圖樣。

 

重力波

一個世紀以前,愛因斯坦在廣義相對論中預測,質量(mass)會在時空(spacetime)中造成彎曲(curvature)。當大質量的物體合併時,這種彎曲會發生改變,向空間中傳送漣波(ripples),這就是重力波(gravitational waves)。當這種波動到達地球時,他們小得幾乎無法察覺。

一個世紀以後,人們設計了高靈敏度的探測器,Ligo,即雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitation Wave Observatory)。Ligo 可以觀測到時空發生的微小扭曲,其精度相當於用 4 公里的激光束探測只有原子核直徑千分之一的差異。2015 年 9 月,Ligo 做出了歷史性發現,探測到重力波,首次證實了愛因斯坦的預測,即空間可以被拉伸或壓縮。

Ligo 的兩個觀測器是平行的,一個位於華盛頓州的漢福德,另一個位於路易斯安納的利文斯頓。科學家有意將探測器平行安置,可以將探測到訊號的幾率最大化。不過,這也意味著科學家只能觀測到太空中的一個平面,無法獲得三維信息,因而無法證實愛因斯坦的另一個重要預測——重力波的路徑圖樣。

重力波的三維圖樣

Virgo 位於義大利的比薩附近,它的觀測臂角度與 Ligo 的不同,可以提供更多信息,例如重力波的極化(polarization),及其所經過的路徑。

2017 年 8 月 14 號,Virgo 和 Ligo 共同探測到重力波的訊號。這個訊號可以追溯至 180 億年前,兩個大質量黑洞碰撞的最後時刻。兩個黑洞的質量分別為太陽的 31 倍和 25 倍,他們碰撞後,形成一個 53 倍於太陽質量的旋轉黑洞。另外相當於 3 個太陽的質量轉換為能量,以時空扭曲的形式向外傳播,正如池塘中的波紋。

意義與展望

黑洞碰撞是宇宙中最劇烈的事件之一,此次觀測讓人們了解到時空彎曲的三維圖樣。

除了 Ligo 的兩個平行探測器,Virgo 的加入還幫助科學家們更準確地對重力波發出的位置三角定位。將來,科學家還可以調整地面望遠鏡的方向,對準訊號源,觀測碰撞本身是否留下可見痕迹。

Virgo 從 2007 年開始收集數據。不過,當 Ligo 在 2015 年首次觀測到重力波時,Virgo 正在進行升級。2017 年初,Virgo 重新開始運行,與 Ligo 的觀測運行時間有一小段重合,此次觀測在八月份結束。

Ligo 發言人、來自 MIT 的 David Shoemaker 稱,Virgo 和 Ligo 同時運行後,這次觀測只是個開始。下一個觀測運行時間定在 2018 年秋季,那時說不定一周就有一次重力波探測結果,甚至更頻繁。

註:2017 年諾貝爾物理學獎表彰的工作正是重力波的探測,授予了三位物理學家,Rainer Weiss,Barry C. Barish,以及Kip S. Thorne,理由是他們對「LIGO 探測器的決定性貢獻和重力波的探測」。

2017年諾貝爾物理學獎得主(圖:諾貝爾獎委員會)

參考資料:the Guardian

舒超
明日科學編輯,科大生命科學學院研究生,目前努力畢業中。做實驗之餘,喜歡讀書寫字,學習語言。鐘情中國古典文學。希望有朝一日走遍天下,增廣見聞。

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