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第四度測出重力波 歐洲探測器首次錄得

2017/9/29 — 21:08

重力波 GW170814 的源頭位置
Credit: LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration

重力波 GW170814 的源頭位置
Credit: LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration

繼美國兩座激光干涉重力波天文台 (LIGO) 三次測量到重力波後,位於意大利比薩附近的室女座干涉儀 (Virgo interferometer) 首次測出重力波,是人類迄今第四次錄得重力波訊號。該重力波訊號亦由 LIGO 測出。

室女座干涉儀自 2007 年起投入偵測重力波的工作,由法國、荷蘭、波蘭、意大利與匈牙利五個國家實驗室科學團隊共同負責分析收到的數據。今年室女座干涉儀完成經歷 5 年、價值 2,700 萬美元的升級,並在 8 月 1 日開始重投工作與 LIGO 共同合作偵測重力波。

雖然先前三次測出重力波時,室女座干涉儀都未能運作,但在 8 月 14 日,室女座干涉儀與 LIGO 已同樣錄得來自一對旋轉黑洞合併時產生的訊號。該兩個黑洞分別為太陽質量的 31 和 25 倍,距離地球約 18 億光年。團隊在本月 27 日於都靈舉行記者會公佈發現。

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現時人類用 3 個干涉儀測量重力波,比只有 LIGO 兩座干涉儀更準確知道重力波源頭的位置與距離。對運作室女座干涉儀的團隊來說,消息亦非常鼓舞。因為團隊已花超過 20 年時間尋找重力波。有份創立室女座干涉儀的法國物理學家 Alain Brillet 指這一切都証明了之前所花的心機都是值得的。

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今年的重力波測量時期已在 8 月 25 日結束, LIGO 與室女座干涉儀會繼續再升級,期望會令其探測器敏感度增加一倍。兩地團隊暫時預定在 2018 年稍後時間重啟干涉儀再追捕重力波。

是次測出的重力根據偵測日期被命名為 GW170814 。該重力波首先到達路易斯安那州 LIGO 干涉儀,再在 8 毫秒後抵達華盛頓州的 LIGO 干涉儀,最後再經過 6 毫秒室女座干涉儀才接收到訊號。

由於使用三個干涉儀,物理學家可以比以前更準確地知道重力波源頭。根據地面收到信號的時間,團隊可以利用三角測量法收窄來源範圍;要尋找的天空大概只有 LIGO 時期的十分之一。

有三個干涉儀也使研究人員可以粗略測量重力波的偏振情況。偏振這個特徵能解釋重力波如何通過三維空間傳遞。這同時意味著物理學家可以測試愛因斯坦提出的相對論中所做的預測。

相對論除了預測重力波之外,也暗示了重力波會在彼此成直角的平面空間引致時空伸展及收縮空間,而來自 GW170814 的數據似乎支持這一說法,亦是人類第一次有機會了解重力波基本特性。

相同的偏振數據還可以讓人類了解,一對黑洞彼此旋轉的軌道平面。因為角度的不同決定了​​地球能接收多少重力波能量,所以研究人員透過將其他偏振數據結合分析,便能更準確估計每次重力波釋放的總能量,從而減少距離估計誤差。是次發現的論文已被 Physical Review Letters 接納

精確瞄準重力波信號起源是天文學界一個重要里程碑。因為例如兩個中子星碰撞也預計會產生類似波紋,並且發出大量其他類型輻射。如果望遠鏡日後可調向正確天空位置,可助天文學家發現更多天文災難事件,從而更了解宇宙。自是次室女座干涉儀錄得重力波後,全球有約 25 台架望遠鏡望著同區天空,但暫未有人看到任何類型的電磁輻射出現——雖然天文學家之前並不期望黑洞合併會產生這樣的訊號。

來源:
Nature, European detector spots its first gravitational wave, 27 September 2017

文/Alan Chiu 、審核/Edward Ho

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