立場新聞 Stand News

重力波 GW170104 再證愛因斯坦理論正確

2017/6/2 — 10:00

畫家想像的 GW170104 雙黑洞系統,圖中黑洞的自轉軸與互繞平面方向不同。Image courtesy of LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

畫家想像的 GW170104 雙黑洞系統,圖中黑洞的自轉軸與互繞平面方向不同。Image courtesy of LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

才剛寫好一篇關於愛因斯坦廣義相對論的文章,美國的激光干涉重力波天文台 (LIGO) 又再發表論文,宣佈第三次探測到來自雙黑洞結合產生的重力波 GW170104 。論文通過同儕審查,刊登在 Physical Review Letters 。

重力波是極大質量扭曲時空而產生的時空漣漪。根據廣義相對論,質量會令時空彎曲,這就是萬有引力的成因。如果極大質量以特定方式運動,其扭曲時空的效果就會形成波動,把能量以光速向外輻射開去。

與前兩次重力波 GW150914 和 GW151226 一樣,這次探測到的重力波來自雙黑洞結合系統,命名為 GW170104 。兩個黑洞的質量分別為 31 和 19 太陽質量,它們互相環繞運動,越轉越快,最終碰撞結合成一個 49 太陽質量的黑洞。在此過程中,重力波向四面八方輻射出相等於約兩個太陽質量的能量,這比任何時刻宇宙中所有星系和恆星輻射的能量更高。

廣告

X 射線望遠鏡發現的黑洞大小(紫色)和 LIGO 發現的黑洞大小(藍色)。
Image courtesy of LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

X 射線望遠鏡發現的黑洞大小(紫色)和 LIGO 發現的黑洞大小(藍色)。
Image courtesy of LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

廣告

然而,比起 GW150914 和 GW151226 , GW170104 的雙黑洞來自 30 億光年以外,是 GW150914 和 GW151226 距離的兩倍以上。而且,這次結合得出的黑洞質量正好介乎前兩次的數值之間,使物理學家確認 20 倍太陽質量的黑洞族群確實存在。在 LIGO 探測到重力波之前,根據 X 射線望遠鏡的觀測,我們從未發現過 20 倍或以上太陽質量的恆星質量黑洞 (stellar-mass black hole) 。

隨著 2018 年歐洲的 Virgo 探測器將開始運作、而且 LIGO 將再次升級,探測重力波的靈敏度將會再次提高。屆時,科學家或許能夠探測到期待已久、來自中子星雙星系統或中子星—黑洞系統的重力波。物理學家預測,涉及中子星的結合事件除了重力波外,亦會釋放出高能量的電磁輻射如 X 射線和伽瑪射線,稱為伽瑪射線暴。同時探測到來自同一系統的重力波和電磁波,可以提高探測的可信性外,也能幫助天體物理學家分辨各種星體模型,有助了解這些極端星體的物理和演化。

GW170104 還告訴了我們很多訊息。例如,這次結合的兩個黑洞,至少有一個的自轉並非與它們互繞的平面方向相同。換句話說,至少其中一個黑洞的自轉軸是傾斜了的,就好像地球的自轉與公轉平面之間有個夾角一樣。這個發現,顯示兩個黑洞可能並非於同一雙星系統中誕生,而是在誕生後才互相捕捉,形成雙黑洞系統。

GW170104 的探測數據(灰色)、其小波分析結果(橙色)和雙黑洞電腦模擬(藍色)。上下分別為位於 Hanford, Washington 和 Livingston, Louisiana 兩座 LIGO 天文台的訊號。 Abbott et al. (2017).

GW170104 的探測數據(灰色)、其小波分析結果(橙色)和雙黑洞電腦模擬(藍色)。上下分別為位於 Hanford, Washington 和 Livingston, Louisiana 兩座 LIGO 天文台的訊號。 Abbott et al. (2017).

另外,研究員亦確認了愛因斯坦的重力波預言準備無誤。重力波與電磁波不同,不會發生色散現象。色散其實就是光線穿過介質後分開成各種顏色的現象,就如太陽光穿過雨後的水珠形成彩虹一樣。 LIGO 沒有發現任何重力波發生色散的證據,愛因斯坦的廣義相對論又再下一城。

美國的 LIGO 團隊與歐洲的 Virgo 團隊合作,迄今已經探測到三個重力波和一個低可信性的疑似重力波。這兩個研究團隊人數過千,成員來自全球各地,也包括來自香港的研究員。作為研究伽瑪射線暴的天體物理學家,我期待探測到伴隨伽瑪射線暴的重力波,這將會是人類科學文明的極重要里程碑。

延伸閲讀:
LIGO 論文:Abbott et al., “GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2”, Phys. Rev. Lett. 118, 221101
LIGO 官方新聞稿:GW170104 Press Release LIGO Detects Gravitational Waves for Third Time Results confirm new population of black holes

我以往關於重力波的文章:
重力波:愛因斯坦的最後預言(上)
重力波:愛因斯坦的最後預言(中)
重力波:愛因斯坦的最後預言(下)
銀河消息:人類首次聆聽重力波
愛因斯坦教授,你是正確的
重力波: 2016 年邵逸夫天文學奬

原刊於作者博客

發表意見