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愛因斯坦百年預言實現:科學家錄得黑洞重力波

2016/2/12 — 0:30

LIGO 所觀測的合併黑洞 (記者會截圖)

LIGO 所觀測的合併黑洞 (記者會截圖)

我們測量到重力波。我們成功了。

由多國近千科學家參與合作的 LIGO(激光干涉重力波天文台)正式在本港時間晚上 11:30 的記者會宣佈,已成功在去年 9 月 14 日在兩座激光干涉重力波天文台測量到重力波。重力波在世界標準時間 9:50:45 「抵達」華盛頓州,相隔 0.007 秒之後再到達路易斯安那州。訊號與黑洞合併產生的重力波理論吻合,意味科學家首次直接錄得重力波及首次觀察到黑洞合併,成為本世紀最重要的天文觀察,實現愛因斯坦 100 年前完成的廣義相對論所作的預言。

「合成」黑洞的大約位置。 (記者會截圖)

「合成」黑洞的大約位置。 (記者會截圖)

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這次觀測到的合併黑洞比太陽大 30 倍,但由於現時只有兩座設施,科學家只能估計黑洞的大約位置在南天的麥哲倫雲區;從波幅估計,距離我們 13 億光年。

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9 月 14 日錄得的訊號。 (記者會截圖)

9 月 14 日錄得的訊號。 (記者會截圖)

甚麼是「重力波」?

愛因斯坦在廣義相對論,完全改變了物理學對「時間」和「空間」的看法,並提出全新的「時空 (Spacetime)」概念。他認為「重力 (Gravitiy)」並不是「力」,而是時空被物質或能量扭曲而出現的現象。

物質或者能量會在時空中會互相影響。情形就像把鐵球放在彈床後,彈床會下陷;然後再將較輕的網球放上彈床,網球就會像被一股「力」拉過去。如果放下兩個鐵球到彈床,鐵球亦會以兩者重心公轉。而鐵球公轉時則會產生「彈床波浪」,這現象跟宇宙中黑洞,或者是中子星等高質量天體圍繞公轉時,時空被扭曲拉扯而成的波浪紋一樣,科學家將之稱之為「重力波」。

觀測重力波

要找出這道重力波,激光干涉重力波天文台 (Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) 自 2002 年起開始探測重力波 (Gravitational Wave)。整個計劃由美國自然科學基金 (National Science Foundation) 資助,是該基金有史以來最大的科研投資。研究團隊包括加州理工大學、麻省理工大學以及 80 間科研機構,但中國的科研隊伍則未有參與。

計劃的兩座 LIGO 重力波探測器位於路易斯安那州和華盛頓州,應用中學物理的簡單光干涉原理,把兩束互相垂直的激光各自沿著 4 公里長的隧道發射,在隧道盡頭用鏡反射回起點重新結合,形成干涉圖像。為了增加測量的敏感度, LIGO 在 2015 年完成升級工作,成為 Advanced LIGO (aLIGO) 。 aLIGO 可以探測到大約萬份之一個質子距離的變化,將看不見到秘密展現,而科學家正正透過觀察這「微小」的變化,嘗試偵測出重力波的存在。

Public domain / US Governmen , Modifications made by Krzysztof Zajączkowski.

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重力波的漣漪是會向兩個垂直方向擴張和收縮,其頻率以及強度會受其地點、兩個物質相差的距離,以及和我們(觀察者)的距離影響。要找出重力波, aLIGO 就會射出一道激光,再由分束器 (beam splitter) 。這兩道激光會沿著兩條「通道」打到一塊平面鏡上。當重力波經過時,相應的「距離」也會被干擾,令科學家可以量度和觀察到重力波的擴張和收縮。

立場新聞和博客,將會繼續為大家報道有關重力波消息。

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文/ac, eh, tc

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