愛因斯坦的百年預言得到證實「重力波」終於現身

2016年02月12日 00:13 風傳媒

國際科研團隊「LIGO科學合作」(LIGO Scientific Collaboration)11日宣布人類數十年來最重要的物理學與天文學發現:愛因斯坦廣義相對論百年前預言的「重力波」(gravitational waves)確實存在!

重力波的發現將從根本改變我們對於時間、空間等基本概念的認識。由於它能夠穿透電磁波無法穿透的空間,因此將讓人類更深入瞭解遙遠的恆星、星系與黑洞,進而探究138億年前創生宇宙的「大霹靂」(Big Bang)。簡而言之,這是一項諾貝爾獎等級的發現。相關論文刊登在最新一期的《物理學評論通訊》(Physical Review Letters)

愛因斯坦「廣義相對論」討論重力波的原稿(美聯社)
愛因斯坦「廣義相對論」討論重力波的原稿(美聯社)

LIGO團隊的研究人員表示,他們是藉由觀察兩個相互環繞、最終撞擊結合的黑洞,從而探測到極為渺茫的重力波訊號。這兩個黑洞距離地球約13億光年,質量各為太陽的29倍與36倍,最終相互撞擊,結合成一個質量為太陽62倍的超級黑洞;並且在不到1秒的時間內,以重力波的形式釋放相當於3個太陽質量的能量。

LIGO團隊並將偵測到的重力波轉換為聲波,讓大家聽聽兩個黑洞相互撞擊發出的「宇宙漣漪」。

這是兩個黑洞相撞過程的電腦模擬

相關研究計劃由美國國家科學基金會(National Science Foundation,NSF)資助。天文物理學家出身的基金會主席科多華(France Córdova)說:「就像伽利略(Galileo Galilei)第一次舉起望遠鏡,這項對於浩瀚太空的新觀照,將深化我們對於宇宙的認識,催生出意想不到的新發現。」

重力波,時空曲率的漣漪

重力波是一種「時空曲率的漣漪」(ripples in the curvature of spacetime),以波的形式從源頭向外傳播,並以重力輻射的形式傳遞能量。物體質量越大,重力波的效應越顯著,越容易被探測到。因此宇宙中最強的重力波來自最激烈、最壯觀的事件,例如兩個黑洞相撞、大型恆星爆炸,或者138億年前創生宇宙的「大霹靂」。

然而重力波的效應實在太過微弱,就連愛因斯坦本人也沒有把握人類是否有能力探測到。過去天文學家只能掌握重力波存在的間接證據,直接觀測長期缺乏進展,這回終於由LIGO完成使命。科多華說:「LIGO為天文物理學開啟了一個全新的領域。」

雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)(LIGO)
雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)

LIGO是「雷射干涉重力波天文台」(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)的簡稱,由麻省理工學院(MIT)與加州理工學院(Caltech)在美國國家科學基金會的資助下,從1991年開始建設。

LIGO在路易斯安那州的利文斯頓(Livingston)和華盛頓州的漢福德(Hanford)建造兩個一模一樣的地下探測器,彼此相距3000公里。兩座探測器同時接收到的資訊,才有可能是重力波的信號。

關鍵時刻在2015年9月14日來到,美東夏令時間凌晨5時51分(台灣時間14日下午5時51分),利文斯頓與漢福德的LIGO探測器同時接收到13億光年外兩個黑洞傳來的「漣漪」,經過反覆驗證,終於確認就是愛因斯坦百年前預言的「重力波」。

LIGO團隊領導人舒梅克(David Shoemaker)形容:「那個訊息就像是鳥兒啁啾(chirp),從20或30赫茲(hertz)的低頻開始,有如貝斯(bass guitar)的最低音域,然後轉瞬間上揚,到達150赫茲左右,約莫是鋼琴的中央C。」

「訊息顯示兩個黑洞的軌道越來越小,速度越來越快,直到兩者合而為一。就在這個波形(waveform)的尾聲,我們看到合體的黑洞晃動著,就像是一團果凍,最後漸漸穩定下來。」

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