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- 578期－重力波（2月號）
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2018-02-01就是那道光-找尋重力波的可見光源
578 期
Author 作者
饒兆聰／國立中央大學天文所副教授，主要研究領域為可見光、 時域天文學，如變星和重力波可見光源搜尋的研究。
2017 年可說是重力波天文學界難以忘懷的一年。在這一年，設計建造重力波偵測器 LIGO的三位先驅魏斯（Rainer Weiss）、 索恩（Kip Thorn） 和巴利許（Barry Barish）獲得了諾貝爾物理學獎。
建造 LIGO 的想法在1970 年代已萌芽，並在1980~1990 年代開始建造和運作。但一直到了2015 年LIGO 才第一次偵測到重力波，並命名為GW150914。第一次的重力波事件是由兩個質量相當大的黑洞所合併而成 （大約30~35 個太陽質量）， 所以不預期會有伴隨而來的電磁波。到了2017 年，LIGO（以及和後來加入的VIRGO偵測器）一共偵測到了五次的重力波事件（還有一次因為訊號不夠強而未被列入），其中前四次的重力波事件都是由兩個黑洞合併而成。但第五次在 2017 年偵測到的重力波事件 ── GW170817 ──卻不一樣 （圖一）。 這次事件是由兩個中子星所合併而成，也是人類歷史上首次同時偵測到重力波和電磁波的事件，GW170817 事件在天文和物理學界重要性與震撼性可在相關的論文數量一窺究竟。到了2017年11月初，GW150914 相關的學術論文大約有300篇，亦即每年大約150 篇。而 GW170817 在 8 月 17 日發現後不到三個月的時間相關的學術論文卻已接近100篇。
GW170817 事件為何如此重要？或更正確的說，同時偵測到重力波和電磁波為何如此重要？天體發射而來的電磁波可以無聲電影比喻：我們只看得到影像但沒有聲音（可見光是電磁波的一種）。 而重力波卻更像聲波：我們只能偵測到大概來的方向和振幅的大小，卻無法確知是從那個天體來，所以重力波就像是只有聲音而沒有影像的電影，只有同時偵測到重力波和電磁波，就像同時有影像和聲音而完整的一部電影。以科學術語來說結合重力波和電磁波所帶來的資訊能讓科學家對於了解重力波源（如中子星合併）的物理性質，機制和來源能夠有更完整的論述。基於篇幅，本文只談關於重力波可見光源的尋找，而至 於 LIGO 如何偵測重力波或 在可見光以外的電磁波源的尋找，在網路上可找到相關的文章參考。
第一個重力波源
LIGO有兩個偵測站，一個在美國 西北角的漢福德區（Hanford），而另一個在美國東南角的利文斯頓（Livingston）。 LIGO需要至少兩個偵測站的原因是當重力波的訊號到達第一個偵測站時，第二個偵測站因距離較遠而會讓重力波的訊號延遲到達。這延遲的時間和重力波訊號來源的角度有關，並在天空「畫」出一道「環形」，但因偵測器的靈敏度以及其他原因，這環不會是一個完整的環，此外也會在天空覆蓋相當大的面積。而重力波源將可能會是來自於這大面積內的任何一個天體。圖二顯示了第一個重力波源GW150914 所對應的天區，大約有600平方度（可 塞大約2800個滿月）。相比之下，獵戶座的面積大約是594 平方度，而在鹿林天文台的一米望遠鏡只有大約0.03 平方度的視野。
當LIGO 在2015 年9月14 日 第一次偵測到重力波時，LIGO 團隊花了兩天來證實重力波訊號的真實性，並在16 日通知天文學家，讓天文學家們能夠用望遠鏡去尋找對應的可見光（或電磁波）源。但當時 LIGO 團隊沒告知這次的重力波事件是由黑洞還是中子星合併，所以天文學家就在相對應的天區內尋找新出現，有可能是對應可見光源的瞬變天體。因為所對應的天區相當大，大部分天文團隊的都用超廣角的望遠鏡和CCD相機來尋找GW150914 的可見光源， 這其中包括了iPTF 團隊（視野7.3 平方度，圖三）、PanSTARRS1團隊（視野7平方度） 和DES團隊（視野3平方度）。
但在接下來的一個月內，各個天文團隊除了一般的超新星爆發外，都沒找到GW150914 相對應的可見光源。一直到10 月3日，在經過詳細分析後，LIGO 才宣布GW150914 事件是由兩個黑洞合併而成。因為是黑洞合併，所以就不預期會有對應的可見光源。而天文學家沒找到GW150914的可見光源也間接證實了這次的重力波事件的卻是由黑洞合併而成。……【更多內容請閱讀科學月刊第578期】