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看見伴隨重力波的光:愛因斯坦相對論再次撼動世界

2017/10/16 — 22:40

【本文為香港《立場新聞》以及台灣《物理雙月刊》獨家文章;作者余海峯博士是費米伽瑪射線太空望遠鏡研究團隊成員】

編按:繼激光干涉重力波天文台 (LIGO) 和歐洲室女座干涉儀 (VIRGO)研究人員成功測量總共四次重力波後,研究人員公佈在 2017 年 8 月 17 日美國東部時間上午 8 時 41 分成功測量到來自短伽瑪射線暴 GRB170817A(即 Gamma-Ray Burst 17-08-17 編號 A)的重力波 GW170817 。

今次發現為首次以電磁波和重力波測量天體,即科學家能以兩種不同物理基本力研究同一物理現象。據 LIGO 與 VIRGO 團隊的新聞稿指出,GW170817 相距地球 1.30 億光年 ,而且是由雙中子星併合引起。兩顆中子星質量分別約為太陽質量的 1.1–1.6 倍。研究將助天文學家了解中子星內部結構。

2017 年 10 月 16 號,天文學家宣布已經探測到伴隨著電磁輻射的重力波。人類科學史將從此永遠改寫。

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黑洞和重力波

重力波天文學的開創學者們已經獲得了科學界許多殊榮,包括獲頒 2016 年邵逸夫天文學奬的 Ronald Drever、Kip S. Thorne 與 Rainer Weiss,以及 2017 年諾貝爾物理學獎的 Rainer Weiss、Barry C. Barish 與 Kip S. Thorne。可惜的是,Ronald Drever 已經於 2017 年 3 月離世。

重力波是愛因斯坦於 1915 年發表的廣義相對論預言存在的物理現象。廣義相對論指出時空曲率造成重力,當兩個互相環繞轉動的質量扭曲時空,就會造成時空中的漣漪——重力波。然而,即使由兩個幾十倍太陽質量的黑洞產生的重力波,在穿越了十幾億光年抵達地球後,亦會變得非常微弱,其波幅只有約萬分之一個質子直徑。只有非常精密的實驗才有可能探測到這極其細微的長度變化。

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於 2015 年 9 月 14 號首個直接測量到的重力波叫做 GW150914(即 Gravitational Wave 15-09-14),其波源離地球約 13 億 3 千 7 百萬光年。它和之後再證實測量到的另外三個重力波事件 GW151226GW170104GW170814 的波源都是雙黑洞併合系統 (binary black hole merger)。故名思義,雙黑洞併合就是兩個黑洞結合在一起的意思。

兩個黑洞互相環繞運行時,其極強重力會把時空扭曲成向外擴散的重力波,就好像兩艘互繞航行的船隻在水面造成的波動般。由於重力波帶有能量,不斷放出重力波的雙黑洞系統的能量就會逐漸流失,使它們越來越彼此靠近,最終併合為一,成為一個更巨型的黑洞。

兩個黑洞的距離越近,放出的重力波能量就越強。以現時頂尖科技,我們測量到的重力波都只是它們併合前一瞬間放出的。不過,單憑這丁點資訊,科學家已經能從中獲得大量關於波源系統的情報,包括它們來自天空中哪個方向、年代有多久遠,以及兩個黑洞的質量等等。

重力波和電磁波

一直以來,人類,呃不,正確來說應該是地球上存在過的所有生物,都只靠光線、聲波、接觸,甚或電場和磁場來得到關於這個世界、這個宇宙的資訊。而這一切感知方式背後,其實都依賴相同物理原理——電磁力。

天文學家並沒有觀察到來自這四次雙黑洞併合事件的任何電磁輻射。世界各地的光學和無線電望遠鏡、太空中的 X 射線和伽瑪射線望遠鏡等,都完全沒有測量到任何可能來自這些併合事件的電磁波。物理學家其實早已料到不會有任何電磁輻射,因為這些黑洞都重達十幾到幾十倍太陽質量,互相環繞運行了數以十億年計的時間,周遭物質早被吸收得一乾二淨。沒有物質,就沒有方法輻射電磁波。所以,這些結果其實是證實了物理學家的黑洞理論。

那麼,我們就不能期待會有同時放出重力波和電磁波的系統嗎?非也。如果該雙星併合系統的其中一方、或者雙方都不是黑洞的話,那麼雖然在併合後依舊會形成一個黑洞,但周圍就會殘留有併合過程中拋出的物質。這些物質會在黑洞周圍形成吸積盤 (accretion disk) 和噴流 (jet),放出伽瑪射線、X 射線、可見光以至無線電各種電磁輻射。

事實上,這正是所謂的短伽瑪射線暴 (short gamma-ray burst, sGRB) 的形成理論。伽瑪射線暴是一種突然爆發放出大量伽瑪射線的天體,依其爆發持續時間分為長短兩種,其中短的不超過兩秒。天體物理學家一直估計,短伽瑪射線暴是兩個中子星碰撞結合所產生的,稱為雙中子星併合 (binary neutron star merger) 。我本身亦從事伽瑪射線暴的研究,它們的形成和輻射機制是高能量天體物理學的未解之謎。

電腦模擬研究顯示,雙中子星併合或中子星-黑洞併合 (neutron star-black hole merger) 過程中會釋放出大量高能量伽瑪射線。同時,這些併合事件亦會放出重力波,因為中子星的重力亦非常強大,僅次於黑洞。

因此,物理學家期待位於美國的兩座激光干涉重力波天文台 (Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory, LIGO) 和歐洲的室女座干涉儀 (VIRGO Interferometer) 能夠探測到來自短伽瑪射線暴的重力波。電磁波加上重力波的雙重資訊,將能夠幫助天體物理學家解開伽瑪射線暴的袐密。

歷史上,人類首次間接探測到重力波就是依賴雙中子星系統的。1974 年,馬薩諸塞大學阿默斯特分校的 Russell Alan Hulse 和 Joseph Hilton Taylor, Jr. 以無線電天文望遠鏡發現雙中子星系統 PSR B1913+16 的互繞公轉週期會逐漸遞減,衰減率與廣義相對論預測的數值吻合。Hulse 和 Taylor 亦因此獲頒 1993 年諾貝爾物理學獎。不過,這方法只算間接探測到來自雙中子星的重力波,亦未能幫助到伽瑪射線暴的理論研究。

重力波與光聯手 改變歷史的發現

這段科學史已經在 2017 年 8 月 17 號徹底改變。今天,由 LIGO 和 VIRGO 團隊帶領的國際跨領域研究團隊召開了記者招待會,公布 LIGO 和 VIRGO 已經測量到來自短伽瑪射線暴 GRB170817A(即 Gamma-Ray Burst 17-08-17 編號 A)的重力波 GW170817!這個重力波-伽瑪射線暴源最先由監察伽瑪射線暴的太空望遠鏡,例如費米伽瑪射線太空望遠鏡(Fermi Gamma-ray Space Telescope)發現、定位後,再交由世界各地的光學和無線電望遠鏡進行後續觀測。

Composite images of the optical counterpart to GW170817.  /Credit: Soares-Santos et al. and DES Collaboration,

Composite images of the optical counterpart to GW170817. /Credit: Soares-Santos et al. and DES Collaboration,

全球超過 70 個研究機構的每個波段的望遠鏡,包括伽瑪射線、X 射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電,再加上重力波都探測都這個重力波-伽瑪射線暴源(見下列伽瑪射線暴 GRB170817A 全電磁波段發現論文),這絕對是史無前例的大發現!我作為費米伽瑪射線太空望遠鏡研究團隊成員,看過 GRB170817A 的數據,同意這是一般短伽瑪射線暴。然而,LIGO 和 VIRGO 測量到來自這個伽瑪射線暴的重力波,使它成為人類科學史上最重要的重力波-伽瑪射線暴源。

Credit : LIGO

Credit : LIGO

這個重力波-伽瑪射線暴源位於 NGC4993 星系,距離地球約 1 億 3 千萬光年。與前四次重力波不同,GW170817 並非來自雙黑洞併合,而是來自雙中子星併合。兩個中子星的質量分別為 1.6 和 1.1 太陽質量,與中子星的質量相符,釋放出相當於 0.025 太陽質量的能量的重力波。這是人類首次直接測量到來自中子星的重力波,相信日後會陸續探測到更多重力波-伽瑪射線暴源,有助了解中子星密度極高的內部結構。

中子星與黑洞質量示意圖。 /Credit: LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern University

中子星與黑洞質量示意圖。 /Credit: LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern University

這是我們首次以兩種自然力的輻射——電磁波和重力波——同時測量到的天體。這代表我們能夠以兩種不同的物理基本力去看同一個物理現象,得以比從前更深入了解當中的物理過程。同時探測到來自 GRB170817A 的伽瑪射線和 GW170817 的重力波,而且兩者皆來自天空同一區域,是兩者有物理關聯的極佳證據。短伽瑪射線暴會伴隨重力波這一發現,亦與上述「短伽瑪射線暴是中子星併合所產生」的假設吻合。

是次發現不單開創了同時利用重力波和電磁波觀測的先河,亦為短伽瑪射線暴的形成機制提供了有力證據。我期待,重力波天文學與電磁波天文學能合作解決更多難題、發現更多超出人類想像的有趣現象。

愛因斯坦教授,大自然又再次證明,你的理論是正確的。

重力波 GW170817 發現論文:

  1. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration). (2017). GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral. Phys. Rev. Lett, 119, 161101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.161101

伽瑪射線暴 GRB170817A 全電磁波段發現論文:

  1. LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, Fermi GBM, INTEGRAL, IceCube Collaboration, AstroSat Cadmium Zinc Telluride Imager Team, IPN Collaboration, ... & SKA South Africa/MeerKAT. (2017). Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger, The Astrophysical Journal Letters, 848. DOI: 10.3847/2041-8213/aa91c9
  2. Abbott, B.P., Abbott, R., Abbott, T.D., Acernese, F., Ackley, K., Adams. C., ... & Ubertini, P. (2017). Gravitational Waves and Gamma-Rays from a Binary Neutron Star Merger: GW170817 and GRB 170817A. The Astrophysical Journal Letters, 848, 2. DOI: 10.3847/2041-8213/aa920c/pdf 

延伸閱讀:

LIGO 與 VIRGO 團隊新聞稿

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