回顾重力波近五年来的应用状况

2016年,罗奈尔特•德雷弗、基普•索恩及雷纳•韦斯凭借构思并设计激光干涉仪重力波观测站(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO ),获颁邵逸夫天文学奖。评委更赞誉「他们最近对重力波的直接观测,为天文学打开了新的视窗」。由首次观测到重力波(由一对黑洞的合并所产生)至今,已经过了大约五年,到底重力波是否真的为天文学打开了新的窗口,我们不妨回顾一下。


从大量数据中的新发现

2015年9月至2016年1月,当时正进行第一次观测运行。运行中产生大量数据,并首次发现重力波的存在。在第一次观测运行中,先进激光干涉仪重力波观测站(Advanced LIGO )两度探测到重力波,两次均源自两个黑洞的对撞。

自从2016年获得邵逸夫奖以来,先进LIGO进行过另外两次观测。两个先进LIGO观测站总共获得数以万亿字节(terabyte )计的数据;重力波的微弱痕迹,正是深藏在噪讯之中。研究人员以复杂的演算法来搜索所得数据,以分析并核实可能出现过的重力波事件,历时长达数个月。

他们又利用两次观测运行之间的空档提升观测站的灵敏度,例如,在头两次观测运行之间的空档里,他们将两个先进LIGO的仪器灵敏度提高了约20 %,相当于将可供观测的讯号增加70% (讯号量与距离的三次方成正比)。

第二次观测运行于2016年11月至2017年8月间进行,截至这次观众运行,累计共探测到1 1次重力波事件。第三次观测运行则于2019年4月开始,至2020年3月因为新冠病毒爆发而暂停。到目前为止,截至2019年10月的观察数据已将重力波事件总次数由头两次观测运行的11次增加至50次。

由2015年9月首次发现重力波以来,仅仅经过五年,探测重力波就愈趋平常。如今,在掌握到50次的重力波探测结果后,我们在探索整个宇宙的黑洞及中子星的数量方面会更有把握。频繁的重力波事件让我们能够得到一些令人振兴的崭新见解。


全球观测网络

位于意大利比萨附近的处女座观测站最初在1989年被提议兴建。它可以说是位于欧洲的LIGO观测站。三个观测站均是在1990年代设计,于2000年左右建成,在随后十年以初始配置运行。LIGO与处女座经过多年的大规模升级计划后,已提升至「先进」配置。

先进处女座于2017年8月加入先进LIGO的第二次观测运行。2017年8月14日,研究人员从三个先进观测站所录得的数据中发现一个短暂的重力波讯号(现已标为GW170814 )。于是,GW170814成为三个观测站同时观测到的第一次重力波事件。

加入第三个观测站后,我们定位重力波波源的能力大大提高,其原理是利用重力波讯号到达不同观测站的时间差来确定从天而来的一个源头的位置。时间差是由于光速的有限值所致,因此,两个相隔约三千公里的LIGO观测器会有最高10毫秒的延迟。我们假设所知的讯号到达时间完全正确,并将每个时间差与天空的一个圆形联系,以表示该时间差与天空的位置保持一致。当全球观测网络增加一个观测站后,所获得的时间差就会由一个变成三个。三个圆形会在两个点交汇,因此能将来源的可能位置由一个圆形减少至两个点。

其他重力波观测站目前正在施工中,相信均会加入全球重力波的网络,令人注意的项目包括以日本的神冈重力波观测站(Kamioka Gravitational Wave Detector ,KAGRA )以及印度重力波观测站(LIGO -India )。KAGRA的目标是成为全球第一座体积达公里级的低温重力波望远镜。KAGRA神冈矿山地下,其最新的观测运行时间与先进LIGO及先进处女座重叠。KAGRA采用了对未来的重力波观测站极为重要的两项关键科技,第一是完全埋在地下的设施,能减少地震噪讯;第二是能将镜冷却至低温的技术,能减少热噪讯。


爆炸性冲击:重力波走进多元信息天文学

尽管重力波能令我们观测到无法以电磁波观测的辐射源,但有些辐射源会同时发出两种波,因此势将引发重力及核子物理学界的新一轮研究。所谓的多信使天文学(multi-messenger astronomy )诞生于2017年8月17日;当日先进LIGO与处女座观测站观测到长达数分钟的重力波讯号,与两个达中子星级质量的致密天体的合并相吻合。就在重力波观测站观测到两个天体合并之后,全球各地的望远镜几乎立即开始观测到来自天空一条相似路径的电磁讯号,由此可见,至少有一个正在合并的物体是中子星。这项共同观测结果首次为全新研究科目奠下根基。例如,借着检查重力与光速的差异是否低于10-15m/s ,就能为中子星的状态方程式设定限界,并最终计算出宇宙膨胀率的新的独立估算值。最后一点,虽然骤眼看来与重力波科学无关,但从GW170817的电磁放射中观测到的黄金等微量重元素,有助解释为何我们观测到宇宙含有极大量这种元素。

我们从GW170817的相关电磁讯号(electromagnetic counterpart )得知,当时至少有一个在合并的物体是中子星,然而先进LIGO与处女座观测站在2019年5月24日观测到的类似重力波事件却没有该对应体。虽然重力波讯号显示合并物体的质量位于相似范围内,但这次观测正好显示出我们现时开始遇到的疑难﹕重力波窗口已经打开,但其中一个物体太重,不似是中子星;而且太亮,不似是黑洞。然而,「更大」的惊喜还在后头。


指向超大质量黑洞

得力于电磁观测,先进LIGO与处女座的头两次运行结果显示,比我们之前观测到的更重的黑洞原来存在。然而所有这些质量在太阳质量65倍之下的黑洞,其来源都是一致,就是由恒星在寿命终结时发生坍塌所造成,因此又称为恒星质量黑洞。另一个已知的黑洞类型是超大质量黑洞。这些黑洞的质量超过太阳质量十万倍,而且通常藏在星系的中心,包括我们自己的银河系。此外,两类黑洞之间应有的中介质量黑洞却并未发现,令我们无从解释恒星质量黑洞是如何产生超大质量黑洞。虽然天文学家早已搜集到中等质量黑洞存在的一些证据,但确凿的观测结果却迟迟未有。

到2019年5月,LIGO与处女座观测站观测到短重力波讯号GW190521 ,这项缺失终于得到填补。这次讯号的性质与先前的有所不同。大部分重力波讯号能让我们观测到两个物体在互相绕行(又称为渐近旋进阶段(inspiral stage),以及合并的本身和最终物体的衰荡。然而,对于GW190521 ,我们几乎无法见到渐近旋进阶段,可能的原因有两个:一是根本没有渐近旋进阶段,或者是由于相撞击的物体质量巨大,以我们的观测站无法观测得到。LIGO与处女座的共同观测假设了第二种情况,从而得出结论﹕ GW190521是由两个性质奇异的双黑洞合并所造成。首先,最终黑洞的质量约为太阳质量的142倍,因此是我们有史以来第一次观测到的中等质量黑洞,我们更可从中推论出,超大质量黑洞可能是由一连串相继的黑洞合并所形成。其次,发生撞击的黑洞其中一个的质量超过太阳质量65倍,因此原则上可以排除它是由恒星坍塌所形成;我们可从中推断这个黑洞可能是之前与另一个黑洞合并所形成。然而,原本由黑洞合并得出来的成品,如要进行第二次合并,需要非常特殊的环境条件。由于谜题未解,研究人员于是提出与LIGO及处女座观测站所描述成因不同的其他可能。

第一个可能是,两个黑洞沿着一个高度偏心的轨道运行后互撞,并可能导致它们的估计质量出现了变化。尽管两个观测组解释这种情况确实与数据吻合,但研究人员还是观测到一个「禁忌」黑洞。他们提出的第二个可能性更是非常大胆,就是质疑相撞物体本身的性质。他们指出,GW190521与两个奇特理论物体(名为玻色子星)的合并完全吻合,而玻色子星可以模仿出黑洞的大部分特质,因此会令人混淆。而且,玻色子星与其他由「寻常」物质构成的寻常恒星不同,是由超出粒子物理学标准模型的粒子(名为超轻玻色子)构成,其估计质量约为10-13eV 。最特别之处是,这些玻色子是暗物质最有可能的成分之一(科学家相信暗物质占宇宙中全部物质达85 %)。


重力波研究的未来方向

第三次重力波观测运行在头六个月就另外发现39次事件,可见重力波天文学的未来无可限量。第三次观测运行的第二部分分析目前正进行中,其结果将进一步扩大本来已在扩大的重力波瞬态讯号目录。第三次观测运行之后,各观测站将进行更多工程改进,务求要在计划于2022年夏季进行的第四次观测运行前,进一步扩大天体物理探测的范围。在我们等待仪器进步以及新的观测站落成期间,重力波界仍会继续探究全宇宙内黑洞及中子星的性质。然而,重力波的真正前景远远超出以上范围。现今两大解释自然理论的物理学标杆:粒子物理学标准模型以及爱因斯坦的广义相对论,目前仍然无可动摇。而我们希望重力波科学能在将来带领我们突破旧的标杆。至于两者哪一边会首先失守?留待大家自行猜测。

作者︰
黎冠峰教授
香港中文大学物理系助理教授

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