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- 578期－重力波（2月號）
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2018-02-01探測宇宙科學原理-重力波偵測器的概念與技術
578 期
Author 作者
金升光／任職於中央研究院天文及天文物理研究所。
重力波研究在相對論誕生的100年後戲劇性的成為世人矚目的焦點。接二連三超乎預期的黑洞雙星碰撞事件拿下2017 年諾貝爾物理獎；中子星碰撞事件與全球觀測網同步更開啟了多元訊息天文學（multi-messenger astronomy）的新時代。美國雷射干涉儀重力波天文台（Laser Interferometer GravitationalWave Observatory, LIGO）義大利與法國合作的室女座Virgo干涉儀在完成了歷史性的任務後，依照原訂計畫在2017 年 8月底停機，進行升級更新，預定2018 年秋天再次上線觀測。另一方面，在不同頻率波段偵測重力波的努力也採用了一些和LIGO 相近或相異的概念或技術，可以探測星系核心超大質量黑洞等系統，像是運作 中的波霎定時網（pulsar timing array, PTA）以及預計2030年代中期發射的雷射干涉儀太空天線（Laser Interferometer Space Antenna, LISA）。 這些精密測量時空的實驗本身就涵蓋了許多有趣的物理或天文概念，大多和相對論無關，還可能應用在高科技或日常生活中。
本文將著重在LIGO 雷射干涉儀的特點，特別介紹其中熱雜訊與量子雜訊相關的一些基礎觀念。LISA 太空實驗的特色和波霎定時的技術關鍵也會概略提及。關於重力波和干涉儀的基本概念和若干細節請參閱《科學月刊》548 期（2015 年8月）林俊鈺與游輝樟以及 576 期（2017 年 12 月）倪維斗、潘皇緯的文章。
重力與重力波偵測
相對論認為，我們在體重計上的重量和車輛瞬間起步煞車時所感受到的力並無區別。自由落體好像感覺不到重力，但若是自由下落的場景換成了星球質量大小的黑洞附近，上下左右的重力差（潮汐力）肯定會讓人有感。加速度產生的力可以透過坐標變換消除，潮汐力卻不行，這才是相對論關注的重力。聲波透過空氣或其他介質的振動來傳遞，薄膜或是早年話筒中的碳粉盒將接收到的空氣密度振動轉換成電的訊號、麥克風或電話就是聲波的偵測器。電磁波不需要介質，電場與磁場交互振動傳播，遇到天線產生感應電流或電壓傳到接收機放大，這天線和接收機就是電波的偵測器。重力波是時空的漣漪，也不需要介質。原則上，潮汐力的振動可以用上下左右兩把尺的長度相對變化來測量，條件是這兩把尺組成的天線方向正確，而且振動的信號可以從雜訊中分辨出來。
雜訊是重力波偵測的關鍵。以 LIGO 干涉儀為例，雷射光經由分束鏡（或分光鏡，beam splitter）進入干涉儀的兩臂， 被鏡子反射回分束鏡後產生干涉（圖一）。
這兩臂就是互相垂直的兩把尺，當兩把尺的相對長度有變化，干涉結果也會改變。反過來說，任何改變反射鏡距離、兩臂相對長度或影響干涉光的因素都是雜訊可能的來源。地面傳來的振動可能來自地震或是實驗室附近的人類活動、機械振動。……【更多內容請閱讀科學月刊第578期】