2017年11月27日

2017諾貝爾物理獎——證實重力波存在的功臣 雷射干涉重力波觀測站

潘皇緯/清華大學光電所博士候選人。2012 年加入LIGO Scientific Collaboration 團隊,是LIGO 50 餘篇國際期刊的共同作者。2016 年獲Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics 殊榮。

電影《星際效應》(Interstellar)中描述當人類進入大質量星體的引力範圍後,產生時間變慢的時間膨脹現象,例如在強重力場中的每小時相當於地球上的數年,導致後來男主角比在地球上的女兒明顯年輕許多。然而這些現象並非全然是電影效果,人類對這些現象的理解均基於愛因斯坦(Albert Einstein)提出的相對論,他提到重力即是時空扭曲的表現,質量越大的星體,附近的時空扭曲越嚴重,會嚴重影響附近的時間與空間,例如黑洞與中子星。黑洞與中子星是恆星演化到末期的產物,生成黑洞或中子星取決於恆星的質量大小。這些星體在宇宙中的質量分布會因為運動或合併而改變,而質量分布變化所產生時空的波動,稱為重力波。

早在1916 年愛因斯坦提出廣義相對論時,他就預測了重力波的存在。直到1974 年後赫斯(Russell A. Hulse)與泰勒(Joseph H. Taylor Jr.)發現脈衝雙星系統,並經過長時間觀察發現雙星系統的公轉週期有逐年變小的趨勢,這代表雙星系統存在著某種能量損失,使得兩星體逐漸靠近。他們將觀測到的數據與愛因斯坦的理論模型進行分析,發現觀測數據與重力波能量散失的理論十分吻合,該發現是天文觀察史上第一個「間接」證明重力波存在的證據,這個偉大的發現也使得赫斯與泰勒獲得1993 年諾貝爾物理獎。然而科學家始終希望能直接偵測到重力波,除了能證明廣義相對論的正確性,更能透過多元信息偵測(multi-messenger)的方式探索宇宙的奧秘。重力波終於在廣義相對論被提出後100 年,於2015 年9 月14 日,成功被人類直接偵測到。





微弱的重力波如何偵測?
當重力波抵達地球時會出現什麼現象呢?重力波的現象好觀察嗎?重力波既然是波動就有其頻率與振幅,傳播速度為光速且強度也與傳播距離平方成反比,符合一般的波動特性。重力波通常來自於星體的互繞與碰撞,頻率通常很低;重力波在空間中傳播會使橫向於傳播方向上的兩垂直長度L 變成L± L,長度改變量為 L,改變的頻率與重力波頻率一致, L 的值則與重力波強度有關。但由於這些天文現象均距離地球很遠,經過長距離的傳播,其強度所造成的長度改變量很小,約略為10-19 公尺甚至更小,形變變化率(strain, L/L)約為10-23,想要量測如此微小的長度改變量,必定是一項極為困難的挑戰。為了量測重力波帶來如此微小的長度改變,科學家們使用各種方式進行偵測。

重力波偵測的先驅者韋伯(Joseph Weber)利用長約2 公尺直徑約1 公尺的鋁金屬圓柱進行重力波偵測,透過量測鋁圓柱經長度擾動造成的共振頻率改變來偵測重力波,並聲稱量測到「重力波訊號」,但由於該實驗結果無法被用相同方式重複得到,引發相當大的質疑,最後經過多次的重覆實驗與計算後,認為韋伯所量測的訊號極可能為雜訊。而如何克服雜訊問題也是重力波偵測的核心關鍵課題。


1970 年代,麻省理工學院(MIT)的魏斯(Rainer Weiss)最先具體的提出以雷射干涉儀進行重力波偵測的可行方式。起初他於實驗室內架設一臂長為1.5公尺的雛型干涉儀進行先驅實驗,但若要真正偵測到重力波,必須使用比雛型長上數千倍的干涉儀。為了實現這大膽的設計,魏斯與加州理工學院(Caltech)的理論物理學家索恩(Kip Thorne)合作,並開始
了MIT 與Caltech 的重力波偵測合作計畫。不久後蘇格蘭實驗物理學家德瑞福(Ronald Drever)與美國實驗物理學家巴利許(Barry Barish)也相繼加入合作團隊,共同致力於重力波偵測計畫,提升雷射干涉偵測器的靈敏度。並於1993 年獲得美國國家科學基金會(NSF)的長期大型經費支助,建立雷射干涉重力波觀測站(LIGO)以及LIGO 科學合作聯盟(LIGO Scientific Collaboration,簡稱LSC)。經過該團隊20 多年的努力,終於在愛因斯坦發表......【更多內容請閱讀科學月刊第576期】

沒有留言: