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從極大到極小-重力波偵測
 
 
在愛因斯坦重力波理論提出剛滿一百年,雷射干涉重力波偵測站(LIGO)於2015年9月14日成功的偵測到13億光年外兩個黑洞碰撞產生的極其微弱的重力波,完成了愛因斯坦廣義相對論的最後一塊拼圖。這不但是人類第一次偵測到重力波,也是第一次觀測到雙黑洞的碰撞運動,更開啟了重力波天文學的璀璨前景,為人類觀察宇宙開啟了另外一扇窗戶。讓我們帶著謙卑的心情,一同來了解人類如何偵測宇宙宏偉的極大所產生的眩目的極小。

四月22日晚間的第四場春季展望演講,由國立清華大學光電工程研究所趙煦教授擔綱,趙教授以「從極大到極小 — 重力波偵測」為題,解釋了如何藉由「雷射干涉重力波天文台(LIGO)」鎖定目標,直接找到了物理界的聖杯-重力波-的存在,進而講述台灣團隊如何與世界頂尖研究單位並肩作戰,在偵測極大的天文距離和宇宙事件所傳回來的極小時空改變上作出貢獻,讓愛因斯坦百年預言終於成真!

從新聞矚目的程度,我們曉得趙煦教授帶領著台灣唯一的團隊,參與了世紀大發現,將精密的科技帶進世界級的研究殿堂,完成了科學史上非凡的成就!趙教授非常謙虛,在演講開始,就打趣地開了一個玩笑,表示自己通常在準備的不夠,沒有信心時,就會穿著特別正式,而他今天不但打上領帶還套上了西裝外套!他特別將題目訂為「從極大到極小」,其實是在對比天差地遠的數字概念,從來自13億光年(相當於13後面加21個零的公里數那麼大)遠的「天文」數字距離外,量測在地球發生的「地文」長度改變(10的-19次方公尺那麼小),而這都是生活上很難有感覺的數字。

甚麼是重力波?趙教授從牛頓的古典力學出發,講到愛因斯坦的力學理論,並展示了一張地球造成周邊時空彎曲的圖片,從中說了靜止狀態的大質量天體和網狀時空結構所存在的關聯,意即重力場愈強,相對的距離尺度愈短,重力場愈弱,相對的時間尺度愈快。愛因斯坦在時空上的觀念,闡述了現在所認為的重力,簡略來說,應該可以被看為兩個物體間的運動關係,而任何具有較大質量的物體,都可對周邊時間與空間尺度產生改變。其實,我們現在生活不可或缺的GPS衛星定位,就考量了這個物理現象,讓它修正的更為精確。趙教授緊接著說明天體互繞,質量在運動的情形下,對原本時空彎曲的網狀結構產生的影響。實際上,這就像是搖晃水面產生的輕微改變,以近似水波的形態將能量傳遞出去,而我們就試圖在地球偵測這種可以傳遞很遠的擾動,也就是重力波!

愛因斯坦在廣義相對論中,也算出了重力波的速度和變動的頻率,趙教授說現今地球上能夠偵測到的重力波頻率(每秒重複的次數),從10幾個到幾千赫茲(Hertz),並能換算出波長(每重複一次的距離)。重力波究竟從哪裡而來?舉凡來源從中子星、黑洞的合併,到伽瑪射線爆(GRB)、星雲對撞等經常性的天文現象都有,他提到在1993年頒發的諾貝爾物理學獎,就是表彰藉由觀測中子星相互環繞,並逐漸靠近的現象,對照以重力波損耗能量計算的數據,符合實際的理論預測,而間接證實了重力波的存在。

從1915年愛因斯坦提出了廣義相對論,隔年推論出重力波,一直到今天直接偵測到兩黑洞合併傳來重力波的微弱效應,一路走來可說是不斷考驗人類百年科學技術的發展,包括精密機械、光學雷射、天文物理、數值相對論,電腦高速計算等領域,這些領域都一起交出了進步的成績單!LIGO在各學門的成熟發展下,應用了改良的麥克森干涉儀光學原理,就在2015年9月14日完成了百年任務!

LIGO有兩個主要的支臂,透過好幾面光學鏡子的設計,以反射增加雷射光走的距離,趙教授比喻生動,說這好像李小龍經典影片的場景!他還進一步解釋了偵測器靈敏度,並解釋了天文學常用的距離單位ps(parsec,1 ps相當於3.26光年的距離)。LIGO訊號偵測的重點,就是環繞在提高訊號和降低雜訊,趙教授也準備了兩個從實驗室帶來的鏡面,說明這幾年降低雜訊的重點工作,包含懸吊反射鏡與減震系統、適當材料避免熱擾動,以及量子壓縮光源和雙偵測器系統等。趙教授也帶著大家讀了一段LIGO發表重力波的主要論文,裡面清楚介紹重力波的偵測,也提及了我國清華大學,還有科技部的貢獻!趙教授在演講最後,說到下一代陸上重力波偵測器的願景,還有各項設備具備的特性(ET、KAGRA、衛星干涉儀等)。在重力波被直接偵測到的里程碑之後,人類已經揭開了重力波天文學的序幕,開啟了觀測宇宙
的另一扇窗,未來值得我們繼續期待!
 
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黑洞(14)重力波(7)
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