重力波
發現重力波
2015 年 9 月 14 早上六點左右 科學家們觀察到，一個從沒有人看過的現象：兩個黑洞的碰撞。兩者的個別質量都有太陽的 30 倍，它們已經互轉幾百萬年了，隨著彼此越來越接近，轉動的速度也越來越快，最後互撞並融合成了一個更大的黑洞。在它們互撞前的幾分之一秒，釋出以光速橫跨宇宙的波動，數十億年後在地球上，名為「雷射干涉引力波天文臺」的探測器，簡稱為 LIGO，捕捉到了這個波動。這個訊號的時間長度只有五分之一秒，是這個探測器第一次觀察到的重力波。這些太空裡的漣漪是什麼呢？答案必須從萬有引力（gravity）開始說起。
什麼是重力波
重力就是將兩樣物體拉到一起的力量，這適用於宇宙中所有可觀測的東西。重力拉著地球、月亮、太陽，甚至是每顆星星，重力也拉著你。物體的質量越大，引力也越大，物體間的距離越遠，引力也越小。每個質量體都會影響宇宙中的其他質量體，無論影響有多小，引力的改變就能告訴我們那些物體的行動。來自宇宙的引力波動，稱之為重力波(gravitational wave)，重力波從波源處向外傳遞，就像水池裡的漣漪一樣，隨著離圓心越遠而變小。但是漣漪的介質是什麼呢？當愛因斯坦提出相對論時，他將重力想像成在「時空」表面上的彎曲，空間中的質量體會使時空產生凹陷。就像球滾過時會造成凹陷與彎曲，同一個現象也可以認定為質量體吸引一樣，質量體越大凹陷越深，引力也越大。因此凹陷的曲率與力量的大小有數學上的關係。當造成凹陷的質量體移動了，漣漪就在時空裡向外傳遞，這就是重力波的由來。
如何偵測重力波
重力波的感覺像是什麼呢？如果我們的身體敏感到能偵測它們，我們會感覺像是被橫向伸展開來，同時也被縱向壓縮了，而在下一個瞬間被縱向伸展也同時橫向壓縮，橫向伸展再縱向伸展。重力波穿過你身體時伸展和壓縮不斷來回反覆發生，但這些改變幅度太小，以至於我們感受不到。因此建造了探測器幫助我們觀測重力波，這就是 LIGO 探測器的功能。而那並不是唯一一個，世界各地都有重力波探測器，這些 L 形的儀器有著長臂，用雷射來精確測量臂長。如果長度改變了，很有可能是重力波在伸展、壓縮手臂，一旦探測器感受到重力波，科學家們可以獲取重力波源傳來的資訊。某種程度上像 LIGO 這樣的探測器，就是個大型重力波收音機。無線電波總是在你周遭穿梭，但你感受不到也聽不見它們載著的音樂，必須要藉由正確的探測器來擷取出音樂。LIGO 探測重力波訊號，並由科學家們研究產生波的物體數據，他們可以從中獲得資訊，像是它的質量或運行軌道的形狀。我們也可藉由揚聲器播放它們的訊號，而「聽見」重力波，就像由收音機從無線電波中取得的音樂一樣，那兩個黑洞的碰撞，聽起來像這樣，科學家們稱這如滑哨般的雜音為啁啾。而這是來自任何互繞兩物體的簽章，黑洞碰撞只是重力波能帶給我們的其中一個例子，其他高能量天文現象也會帶來重力迴波，像是一顆星球在超新星爆炸前塌陷或是高密度中子星的碰撞。每一次我們創造出新的工具，看向外太空，我們總發現一些從沒預期過的事。一些可能使我們對宇宙認知產生革命性變化的事。LIGO 也是如此，它出現的短短期間內 ，LIGO 已經揭露了一些驚喜，像是比預期中更頻繁發生的黑洞碰撞。雖然沒辦法肯定，但光是想著就令人振奮。有哪些等著被揭露的真相，可能正在橫越太空，朝著我們的迷你藍色星球，帶給我們看待宇宙的全新角度。
授課教師
陳永忠 ycchen@thu.edu.tw