雙黑洞碰撞前發生什麼事？重力波觀測一舉證實了愛因斯坦相對論最初與最後的預言！

愛因斯坦的廣義相對論又被證實了 等等 這不是早就知道的事情嗎 哪有什麼不同 還真的有喔 這雖然不是天文學家 第一次藉由重力波 觀測雙黑洞碰撞 但卻是首次發現他們的軌道 有靜動的證據 而且靜動的頻率 比上一個紀錄保持者 快了一百億倍 什麼是靜動 碰撞合併前的黑洞 到底發生了什麼事 天文學家是怎麼用重力波 觀測黑洞的呢 為什麼這個研究成果 結合了廣義相對論 最初的成功 以及最後的預言呢 國立自然科學博物館 科學中心四樓的物理世界 是臺達電子文教基金會 與科博館共同合作策劃的 互動式物理教學展區 2017年開幕以來 一直深受大小朋友的喜愛 每隔幾年 臺達電會再協助科博館 更新物理世界 引進全新的展具 今年展區更新 我們在光學跟聲學展示區域 增加了隔間 以避免光線和聲音 受到外界環境的影響 這次也有兩個 讓人驚豔的更新內容 第一個是我們引進機械手臂 與科氏力轉盤的結合 內容大升級 機械手臂在轉動的圓盤中 還能當籃球界的神射手 另一個值得推薦的新設計 是聲旋幅展示 現場的展具是超音波聲旋幅 像魔法一樣 能讓物體在空中自然浮起 其他還有什麼有趣的新展具呢 新一代的物理世界 歡迎大家一起來感受物理的奧祕 讓我們先回到牛頓的年代 從牛頓的萬有引力理論來看 雙星系統 是指在彼此的重力吸引下 圍繞共同執行運轉的兩個星體 如果雙星系統周圍 沒有其他的天體影響 雙星系統的軌道 將會是一個固定的橢圓 一切都簡單美好 但現實就偏偏不是那麼單純 早在19世紀中 天文學家就發現 水星的軌道 它的長軸 每經過一世紀 會旋轉1.6度 這個現象被稱為 水星軌道靜動 靜動的意思 指的是自轉的物體 它的自轉軸 又繞著另外一軸旋轉的現象 就像這個陀螺的軸心 一開始 人們認為這單純是水星 受其他行星的重力影響所導致的 但是無論再怎麼仔細的計算 天文學家發現 水星的實際軌跡 總是與計算結果有所偏差 每經過一世紀 水星靜動的幅度 就比理論的預測 還要多上43角秒 在當時 學界對於軌道靜動 以及理論預測不同的原因 眾說紛紜 有一部分的天文學家認為 除了太陽系這些已知的行星之外 一定還有一個 我們尚未發現的天體 就位在水星以及太陽之間 這個天體的重力影響了水星 造成了水星軌道的靜動 這樣才會與古典力學相符 他們甚至幫這個未知天體 取了一個綽號 瓦肯星 另一部分人則認為 牛頓的重力理論 其實有著根本性的錯誤 比如重力可能不是 嚴格隨著距離的平方衰減 但無論是哪一種說法 都無法完美的解釋觀測的結果 這問題一直到1915年 愛因斯坦的廣義相對論 橫空出世之後才得以解決 利用廣義相對論 他發現行星的軌道位能 多出了一個與太陽距離的 三次方成反比的像 如果你有興趣理解 這個距離三次方成反比的像 是怎麼計算出來的 可以點擊左上的資訊欄 利用廣義相對論重新計算之後 人們發現這個修正像 恰恰好可以彌補理論 以及觀測結果之間的誤差 完美的解釋了水星軌道的奇怪行為 而對於水星軌道進動的修正 也成為了廣義相對論 最初最重要的證據之一 除了軌道進動之外 廣義相對論的另一項重要預言 就是重力波的存在 當雙星系統互相繞行時 會引起時空的波動 而當這波動經過地球的時候 會使我們周圍的時空結構 週期性的拉伸以及收縮 這就是重力波 但重力波引起的時空波動 實在是太過微小了 即使是兩個數十倍太陽質量的黑洞 碰撞所引發的重力波 在經過公里等級的物體時 所引發的長度變化 也不過就大約10的-18公尺的等級 相當於只有原子核大小的千分之一 因此雖然重力波早在1916年的時候 就已經被預言存在 科學家直到21世紀 才終於有足夠的技術可以探測到它 所以重力波也常被稱作 愛因斯坦的最後預言 物理學家是怎麼探測到重力波的呢 當代的重力波探測儀 通常由兩根長達數公里的真空管 垂直組成 在真空管的交角處 掛有分光鏡以及雷射源 雷射在經過分光鏡之後 會有一部分穿過 一部分反射 分成兩道垂直前進的光束 進入真空管中 而在兩個真空管的鏡頭 分別掛有一面反射鏡 可以將雷射再反射回交角處 接著再通過一次分光鏡 最後抵達屏幕 形成光的干涉條紋 要是時空的扭曲程度改變 干涉的圖案 就會因為兩道光束經過的路徑不一樣長 進而導致干涉圖案產生變化 因此藉由觀察干涉條紋的變化 物理學家就能夠觀測到重力波的存在 那麼接下來又遇到了一個問題 我們要怎麼藉由重力波的訊號 來研究這些發出重力波的天體系統呢 以黑洞雙星為例 兩顆黑洞在互相繞行時 會輻射出重力波 而重力波與電磁波相同 都會攜帶能量 因此在黑洞互繞的過程中 它們的能量會隨著重力波的輻射而耗散 因此兩顆黑洞會越靠越近 互繞的速度也越來越快 直到最後兩者合併成單一天體 這個過程中釋放出的重力波訊號強弱 頻率和形狀 取決於兩個黑洞各自的質量 自旋 黑洞的軌道 還有視線方向的夾角等多項物理參數 這個時候天文學家會做兩件事 第一件事情就是要把重力波偵測器 所收到的訊號 經過降噪、濾波、標準化等等一系列的處理 盡可能把不屬於天體的 其他幹擾訊號都過濾掉 第二件事是訂出一組參數範圍 然後再借助電腦模擬 他們想要知道 如果是這樣的物理參數下 雙星系統合併時 產生的重力波會是什麼樣子 接著再把這樣模擬出來的重力波 跟實際觀測到的訊號進行比較 如果一樣的話 那就皆大歡喜啦 如果不一樣 那就再調整一下參數 看看另一組參數模擬出來的訊號 是否更接近觀測的結果囉 這樣一來一往的 就可以找出與觀測結果最吻合的一組參數 也就可以得到重力波源的各項物理特徵 並且更進一步的知道 重力波源的對應天體了 2015年9月14號 重力波探測器LEGO以及VIRGO 首次探測到了雙黑洞合併時 釋放出的重力波訊號 編號是GW150914 其中訊號前面的兩個英文字母GW 是重力波的英文Gravitational Wave的縮寫 後面的數字則代表了 重力波訊號被探測到的時間 在廣義相對論提出後的一百年之計 終於證實了愛因斯坦的最後一個預言 短短兩年之後 2017年的諾貝爾物理學獎 就頒給了為重力波偵測 做出巨大貢獻的三位代表性學者 要知道諾貝爾獎得主 通常要經歷數十年漫長的等待 等到他們的科學成就 承受住時間的考驗 才會得到諾貝爾獎 而由於黑洞附近的重力場十分強大 在2015年的時候 天文學家就認為 總有一天 也一定能夠在重力波訊號中 發現雙黑洞系統 在互相繞行的過程 有軌道進洞的現象 這一等就等了七年 今年十月 來自卡迪布大學的研究團隊 在經過兩年的分析後 竟然在其中一個重力波訊號源 GW200129中 發現雙黑洞軌道進洞的現象 相當於結合了廣義相對論 最初的成功 以及最後的預言 根據他們的分析 GW200129的兩個黑洞 質量分別是40倍的太陽質量 以及23倍的太陽質量 在影片下方 是觀測到的重力波訊號 科學家藉此模擬 還原出對應的天體模型 可以看到 它們的軌道進洞頻率 高達了每秒三次 這頻率有多高啊 如果跟開頭提到的 水星進洞比較的話 水星是每經過100年 進洞幅度是43角秒 約0.012度 那麼水星要經過300萬年 才會完成一次進洞週期 而在這之前 天文學家觀測到的 軌道進洞頻率紀錄保持人 是一組雙脈衝系統 但它們也要長達75年 才會完成一次進洞 相較之下 GW200129比上個紀錄保持人 快了將近100億倍 重力波是近年來 新興的天文學領域 它為天文學家打開了另一個 觀測宇宙的嶄新窗口 不同於傳統的電磁波觀測 重力波在傳遞的過程當中 幾乎不會與物質產生交互作用 也就不會被一路上經過的 這些星際氣體以及塵埃阻擋 因此可以獲得 來自宇宙更深處的資訊 更重要的是 天文學家可以結合重力波 以及電磁波所帶來的資訊 去分析同一個天體 這就像我們在享受美食的時候 是同時用視覺、味覺 去品嘗食物一樣 結合來自不同管道的資訊 更完整的一步一步 拼湊出食物的全部面貌 從2015年 首次探測到重力波以來 科學家們除了對觀測資料進行分析 也持續打造新的重力波探測器 對現有的設施進行升級 讓它們變得更靈敏 以觀測到更多微弱的重力波 目前世界各國的重力波探測計畫 已經來到了第三期 相比於第一期只探測到三個事件 第二期只探測到八個事件 隨著設備升級 探測能力變得更靈敏 第三期所探測到的事件數量 就像坐上了火箭一樣 直接多了一個數量級 來到了81個 如果不是探測器 因為COVID-19的疫情被迫停工 相信第三期能夠觀測到的事件 能夠更多 但不要擔心 很快的第四期的觀測計畫 即將在明年的三月 帶著靈敏度更高的設備回歸 未來幾年 重力波又將帶給大傢什麼樣的驚喜呢 我們一起期待吧 好的 以上就是本集的內容 記得訂閱PenSci 半科學頻道 開啟小鈴鐺 加入我們的頻道會員 鎖定更多精彩的科學新知 科學議題 我們下次再見