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2016-04-01發現重力波！
556 期
Author 作者
林俊鈺／國研院高速網路與計算中心副研究員，協助推廣產學界的高速計算應用。研究興趣為平行計算與天文物理。游輝樟／成功大學物理系副教授，專長為數值相對論與計算天文物理。
2015年的9月25日，克勞斯（Lawrence Krauss）的一則推特引發了一陣譁然，雷射干涉儀重力波天文台（LIGO）發現重力波的傳聞不脛而走。獲得不少迴響，但也招來不少批評。反對者認為熱心傳播未公開的實驗結果並不適當：若屬實，似乎搶了LIGO鋒頭，若結果為誤判，則削弱了LIGO的公信力。這樣的憂慮不是沒有原因，因為LIGO想找到的訊號，是來自於重力波所造成僅僅只有10-21以下的長度變化比例。以臂長為四公里的大型干涉儀為例，僅僅只有約10-18次方公尺的變化，比質子直徑的百分之一還小。因此除了觀測困難，須隔絕所有非重力波所造成的震動外，還需要謹慎的資料分析，逐步比對觀測訊號與各種不同的波形樣板，以搜尋重力波訊號並反推波源性質。
愛因斯坦理論的證實LIGO在今（2016）年2月11日證實了這個結果，愛因斯坦最後一個理論預測在百年後實現了。這個首次發現的強烈重力波訊號GW150914是來自於雙黑洞碰撞──很湊巧地，雙黑洞環繞、碰撞並融合的過程，是一個最簡單、並且在過去半個世紀以來研究最徹底的廣義相對論雙體系統。這兩個幾乎不自轉、約30倍太陽質量的黑洞，可能已經互繞了好幾百萬年，此時的運動大致仍符合牛頓力學。但緩慢輻射出的重力波，使得它們的軌道愈來愈近，且速度愈來愈快。然後，在距今約13億年的某個瞬間，當雙黑洞距離已縮小到約1000公里時，軌道開始因強重力場變的極端不穩定，它們碰撞、融合成自轉為0.68（黑洞有個為1的自轉上限）的黑洞。歷時不到半秒鐘的碰撞過程，釋放出約三個太陽質量的能量，輻射出的重力波頻率從35赫茲攀升到250赫茲，並經歷13億年的傳遞後，在臺灣時間2015年9月14日傍晚到達地球。
重力波觀測計畫
發現重力波的消息看似突然，但早在60、70年代起，觀測計畫就逐步全球展開，期望是測量到重力波所造成週期的微小長度變化。從早期的共振圓柱探測器、到近代的雷射干涉儀、乃至於後來基於原子物質波干涉儀的構想，科學家分別在不同頻段下，逐步提升實驗精度，試圖發現重力波的痕跡。這次發現的主角LIGO，是美國國科會在1990年通過的兩座四公里等級的大型雷射干涉儀重力波觀測站計畫。兩座觀測站相距3002公里，分別位於華盛頓州與路易斯安那州，至今已投入了超過200億臺幣的經費，整合了各個領域的專業，例如真空、光學、薄膜、懸吊、防震、回饋控制、資料分析、管理等等，並附帶科學教育的推動。LIGO從1999年開始建造，到2005年調整到預定的靈敏度後，便開始一系列的觀測，並於2010年進行advanced LIGO、或稱aLIGO的干涉儀升級。2015年5月完工時，靈敏度已比升級前提升了約4倍，並觀測到這次的訊號。預計在2022年時將提高至10倍的靈敏度，相當於十倍的觀測距離、或是千倍的觀測空間及機率。為了能有較佳的波源定位，aLIGO也將與其他觀測站組成第二代地面干涉儀網路，包含義大利的aVIRGO，以及在5~10年內可上線的日本KAGRA與印度India-LIGO干涉儀。歐洲的第三代的干涉儀Einstein Telescope與太空干涉儀計畫eLISA也正在規劃進行中。
aLIGO於2015年開始擷取資料，正式的觀測計畫本來預計於9月18日啟動，並與全球天文台協同追蹤觀測，提供互補的微中子、宇宙射線、或電磁波段觀測資訊。但出乎意料地，在9月14日的測試運行階段，研究人員就收到來自雙黑洞碰撞的強烈訊號。根據兩座LIGO的收訊時間差（7毫秒）及有限的定位能力，估計波源來自600平方度狹長的南半球天區中，要不是aVIRGO正停機升級中，不然定位可望再精確一倍。隨後，二十幾個地面或太空的電磁波頻段觀測設備，也如同大規模演習般地，記錄後續的可能變化。這個劃時代的觀測，讓科學家首次直接地驗證強重力場下的理論，並重新檢視過去關於黑洞的理解：包含大質量黑洞與恆星演化模型、黑洞碰撞事件的分布、來自早期宇宙的重力波背景輻射強度等。若累積更多包含中子星的碰撞觀測，也能對其內部高密度物質的組成，或是伽瑪射線爆發的成因有更多認識。未來，估計每年將能觀測到數十個來自黑洞或中子星碰撞的重力波事件。
臺灣沒有缺席
臺灣在這一波的發現並沒有缺席。清華大學光電所教授趙煦的實驗室為國內唯一參與LIGO的團隊，他們在多層干涉薄膜上的研究可降低雷射反射鏡的光學耗損，並且也正 在為下一代干涉儀的低溫反射鏡進行研究。國內學者也參與了其他的重力波觀測計畫，如清大物理系教授倪維斗參與規劃的ASTROD-GW太空干涉儀計畫，以及日本的KAGRA低溫重力波干涉儀。國內許多重力理論與天文物理的研究者也將投入在理論分析、重力波波形模擬、與觀測資料的處理與解讀。
重力波的直接觀測，驗證了強重力場下的愛因斯坦古典重力理論，也預示了人類以精密測量、與全然不同於電磁波的眼光來探索宇宙。隨著干涉儀靈敏度提升，來自深空的強烈重力波訊號將是常態，並成為天文學上另一個重要的觀測工具。重力波天文學將協同現有的觀測技術，如瞎子摸象般，逐步地拼湊出宇宙深處的現象與規律。
位於美國路易斯安納州，臂長為四公里的雷射干涉儀重力波天文台。
（Courtesy Caltech/MIT/LIGO Laboratory ）
延伸閱讀
1. Steven Corneliussen, Physics gossip vs. physics news, Physics Today, 2016..
2. LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration, GW150914: The Advanced LIGO Detectors in the Era of First Discoveries, arXiv:1602.03838, 2016.
3. 林俊鈺、游輝樟，〈來自深空的交響詩—重力波〉，《科學月刊》46卷第8期608-613。