回顧重力波近五年來的應用狀況

2016年,羅奈爾特•德雷弗、基普•索恩及雷納•韋斯憑藉構思並設計激光干涉儀重力波觀測站(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO),獲頒邵逸夫天文學獎。評委更讚譽「他們最近對重力波的直接觀測,為天文學打開了新的視窗」。由首次觀測到重力波(由一對黑洞的合併所產生)至今,已經過了大約五年,到底重力波是否真的為天文學打開了新的窗口,我們不妨回顧一下。


從大量數據中的新發現

2015年9月至2016年1月,當時正進行第一次觀測運行。運行中產生大量數據,並首次發現重力波的存在。在第一次觀測運行中,先進激光干涉儀重力波觀測站(Advanced LIGO)兩度探測到重力波,兩次均源自兩個黑洞的對撞。

自從2016年獲得邵逸夫獎以來,先進LIGO進行過另外兩次觀測。兩個先進LIGO觀測站總共獲得數以萬億字節(terabyte)計的數據;重力波的微弱痕跡,正是深藏在噪訊之中。研究人員以複雜的演算法來搜索所得數據,以分析並核實可能出現過的重力波事件,歷時長達數個月。

他們又利用兩次觀測運行之間的空檔提升觀測站的靈敏度,例如,在頭兩次觀測運行之間的空檔裏,他們將兩個先進LIGO的儀器靈敏度提高了約20%,相當於將可供觀測的訊號增加70%(訊號量與距離的三次方成正比)。

第二次觀測運行於2016年11月至2017年8月間進行,截至這次觀眾運行,累計共探測到11次重力波事件。第三次觀測運行則於2019年4月開始,至2020年3月因為新冠病毒爆發而暫停。到目前為止,截至2019年10月的觀察數據已將重力波事件總次數由頭兩次觀測運行的11次增加至50次。

由2015年9月首次發現重力波以來,僅僅經過五年,探測重力波就愈趨平常。如今,在掌握到50次的重力波探測結果後,我們在探索整個宇宙的黑洞及中子星的數量方面會更有把握。頻繁的重力波事件讓我們能夠得到一些令人振興的嶄新見解。


全球觀測網絡

位於意大利比薩附近的處女座觀測站最初在1989年被提議興建。它可以說是位於歐洲的LIGO觀測站。三個觀測站均是在1990年代設計,於2000年左右建成,在隨後十年以初始配置運行。LIGO與處女座經過多年的大規模升級計劃後,已提升至「先進」配置。

先進處女座於2017年8月加入先進LIGO的第二次觀測運行。2017年8月14日,研究人員從三個先進觀測站所錄得的數據中發現一個短暫的重力波訊號(現已標為GW170814)。於是,GW170814成為三個觀測站同時觀測到的第一次重力波事件 。

加入第三個觀測站後,我們定位重力波波源的能力大大提高,其原理是利用重力波訊號到達不同觀測站的時間差來確定從天而來的一個源頭的位置。時間差是由於光速的有限值所致,因此,兩個相隔約三千公里的LIGO觀測器會有最高10毫秒的延遲。我們假設所知的訊號到達時間完全正確,並將每個時間差與天空的一個圓形聯繫,以表示該時間差與天空的位置保持一致。當全球觀測網絡增加一個觀測站後,所獲得的時間差就會由一個變成三個。三個圓形會在兩個點交匯,因此能將來源的可能位置由一個圓形減少至兩個點。

其他重力波觀測站目前正在施工中,相信均會加入全球重力波的網絡,令人注意的項目包括以日本的神岡重力波觀測站(Kamioka Gravitational Wave Detector,KAGRA)以及印度重力波觀測站(LIGO-India)。KAGRA的目標是成為全球第一座體積達公里級的低溫重力波望遠鏡。KAGRA神岡礦山地下,其最新的觀測運行時間與先進LIGO及先進處女座重疊。KAGRA採用了對未來的重力波觀測站極為重要的兩項關鍵科技,第一是完全埋在地下的設施,能減少地震噪訊;第二是能將鏡冷卻至低溫的技術,能減少熱噪訊。


爆炸性衝擊:重力波走進多元信息天文學

儘管重力波能令我們觀測到無法以電磁波觀測的輻射源,但有些輻射源會同時發出兩種波,因此勢將引發重力及核子物理學界的新一輪研究。所謂的多信使天文學(multi-messenger astronomy)誕生於2017年8月17日;當日先進LIGO與處女座觀測站觀測到長達數分鐘的重力波訊號,與兩個達中子星級質量的緻密天體的合併相吻合。就在重力波觀測站觀測到兩個天體合併之後,全球各地的望遠鏡幾乎立即開始觀測到來自天空一條相似路徑的電磁訊號,由此可見,至少有一個正在合併的物體是中子星。這項共同觀測結果首次為全新研究科目奠下根基。例如,藉着檢查重力與光速的差異是否低於10-15m/s,就能為中子星的狀態方程式設定限界,並最終計算出宇宙膨脹率的新的獨立估算值。最後一點,雖然驟眼看來與重力波科學無關,但從GW170817的電磁放射中觀測到的黃金等微量重元素,有助解釋為何我們觀測到宇宙含有極大量這種元素。

我們從GW170817的相關電磁訊號(electromagnetic counterpart)得知,當時至少有一個在合併的物體是中子星,然而先進LIGO與處女座觀測站在2019年5月24日觀測到的類似重力波事件卻沒有該對應體。雖然重力波訊號顯示合併物體的質量位於相似範圍內,但這次觀測正好顯示出我們現時開始遇到的疑難﹕重力波窗口已經打開,但其中一個物體太重,不似是中子星;而且太亮,不似是黑洞。然而,「更大」的驚喜還在後頭。


指向超大質量黑洞

得力於電磁觀測,先進LIGO與處女座的頭兩次運行結果顯示,比我們之前觀測到的更重的黑洞原來存在。然而所有這些質量在太陽質量65倍之下的黑洞,其來源都是一致,就是由恆星在壽命終結時發生坍塌所造成,因此又稱為恆星質量黑洞。另一個已知的黑洞類型是超大質量黑洞。這些黑洞的質量超過太陽質量十萬倍,而且通常藏在星系的中心,包括我們自己的銀河系。此外,兩類黑洞之間應有的中介質量黑洞卻並未發現,令我們無從解釋恆星質量黑洞是如何產生超大質量黑洞。雖然天文學家早已搜集到中等質量黑洞存在的一些證據,但確鑿的觀測結果卻遲遲未有。

到2019年5月,LIGO與處女座觀測站觀測到短重力波訊號GW190521,這項缺失終於得到填補。這次訊號的性質與先前的有所不同。大部分重力波訊號能讓我們觀測到兩個物體在互相繞行(又稱為漸近旋進階段(inspiral stage)),以及合併的本身和最終物體的衰盪。然而,對於GW190521,我們幾乎無法見到漸近旋進階段,可能的原因有兩個:一是根本沒有漸近旋進階段,或者是由於相撞擊的物體質量巨大,以我們的觀測站無法觀測得到。LIGO與處女座的共同觀測假設了第二種情況,從而得出結論﹕GW190521是由兩個性質奇異的雙黑洞合併所造成。首先,最終黑洞的質量約為太陽質量的142倍,因此是我們有史以來第一次觀測到的中等質量黑洞,我們更可從中推論出,超大質量黑洞可能是由一連串相繼的黑洞合併所形成。其次,發生撞擊的黑洞其中一個的質量超過太陽質量65倍,因此原則上可以排除它是由恆星坍塌所形成;我們可從中推斷這個黑洞可能是之前與另一個黑洞合併所形成。然而,原本由黑洞合併得出來的成品,如要進行第二次合併,需要非常特殊的環境條件。由於謎題未解,研究人員於是提出與LIGO及處女座觀測站所描述成因不同的其他可能。

第一個可能是,兩個黑洞沿着一個高度偏心的軌道運行後互撞,並可能導致它們的估計質量出現了變化。儘管兩個觀測組解釋這種情況確實與數據吻合,但研究人員還是觀測到一個「禁忌」黑洞。他們提出的第二個可能性更是非常大膽,就是質疑相撞物體本身的性質。他們指出,GW190521與兩個奇特理論物體(名為玻色子星)的合併完全吻合,而玻色子星可以模仿出黑洞的大部分特質,因此會令人混淆。而且,玻色子星與其他由「尋常」物質構成的尋常恆星不同,是由超出粒子物理學標準模型的粒子(名為超輕玻色子)構成,其估計質量約為10-13eV。最特別之處是,這些玻色子是暗物質最有可能的成分之一(科學家相信暗物質佔宇宙中全部物質達85%)。


重力波研究的未來方向

第三次重力波觀測運行在頭六個月就另外發現39次事件,可見重力波天文學的未來無可限量。第三次觀測運行的第二部分分析目前正進行中,其結果將進一步擴大本來已在擴大的重力波瞬態訊號目錄。第三次觀測運行之後,各觀測站將進行更多工程改進,務求要在計劃於2022年夏季進行的第四次觀測運行前,進一步擴大天體物理探測的範圍。在我們等待儀器進步以及新的觀測站落成期間,重力波界仍會繼續探究全宇宙內黑洞及中子星的性質。然而,重力波的真正前景遠遠超出以上範圍。現今兩大解釋自然理論的物理學標杆:粒子物理學標準模型以及愛因斯坦的廣義相對論,目前仍然無可動搖。而我們希望重力波科學能在將來帶領我們突破舊的標杆。至於兩者哪一邊會首先失守?留待大家自行猜測。

作者︰
黎冠峰教授
香港中文大學物理系助理教授

Dr Juan Calderon Bustillo
香港中文大學物理系研究助理教授