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

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。

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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」。

參考資料：the Guardian