點擊上方藍字iMorning訂閱
文| 餘海峰
自：物理喵 phycat
編輯：瑞秋的春天
愛因斯坦在1916年正式發表廣義相對論，至今剛好100周年。廣義相對論徹底推翻牛頓重力理論，把重力和加速度統一。當時空被物質或能量所扭曲，就會產生所謂的重力。重力原來非「力」，而是時空結構和質能互動的結果。
廣義相對論與量子力學成為現代物理學的兩大支柱。這兩個理論各自描述宏觀和微觀的世界，其預測亦被越來越精確的實驗逐一驗證。愛因斯坦的廣義相對論預言的時空扭曲效應，例如重力透鏡、宇宙膨脹、黑洞等等，都已經被天文觀測所證實。
在100年後的今天，美國的雷射幹涉重力波天文臺(LIGO)將舉行記者會，發表愛因斯坦廣義相對論的最後一個預言–重力波(gravitational wave)–的直接證據。
廣義相對論說，時空會被非常重的物質扭曲。想像時空是一張彈床的表面，上面放一個網球和一個保齡球。保齡球比較重，所以彈床表面會被保齡球壓得比較深。把網球滾向保齡球附近，網球就會沿著保齡球附近被扭曲的彈床表面公轉，看上去彷彿網球被保齡球的一道無形的「力」給拉了過去。這就是重力的表現。
▲ 兩個極高質量天體互相環繞重心公轉，在時空結構之中形成波浪。Credit:LIGO Lab
如果有兩個保齡球在彈床上呢？這樣的話，兩個保齡球就會互相圍繞其重心公轉。彈床表面就會因為兩個保齡球循環施壓而形成向外擴散的彈床波浪。說回重力，當兩個極高質量的天體—通常是中子星或黑洞—互相圍繞公轉，時空就會被它們的重力循環拉扯而形成向外擴散的波浪。這個重力的波浪，就叫做重力波。
直接探測重力波非常困難，即使極高質量的天體，其所造成的重力波波幅仍然非常小。位於路易斯安那州和華盛頓州的兩個LIGO重力波探測器，使用中學物理都會學到的簡單光幹涉原理，把兩束互相垂直的雷射各自沿著4公裡長的隧道發射，在隧道盡頭用鏡反射回起點重新結合，形成幹涉圖像。
▲ 華盛頓洲的LIGO重力波探測器，可見其兩條互相垂直、各長4公裡的雷射隧道。Credit:LIGO Lab
如果重力波經過地球，因為互相垂直的方向的時空扭曲程度不相同，兩束雷射所走過的距離就會有所不同，幹涉圖像就會改變。LIGO在2015年9月升級完成成為Advanced LIGO(aLIGO)之後，能夠探測大約10-22到10-23的距離變化，大約等於萬分之一個質子大小。經過計算，此極其細小的距離變化與宇宙中最強烈的重力波源—黑洞雙星系統或中子星雙星系統—發出的重力波強度吻合，因此科學家預期aLIGO將能首次直接探測重力波，證實它的存在。
在2016年LIGO的記者會，我們親眼看到愛因斯坦廣義相對論的最後一個預言被證實。
2016年2月11號香港時間23：30，美國雷射幹涉重力波天文臺(LIGO Lab)舉行了記者會，發表了已經經過同儕審查的重力波存在的直接證據。愛因斯坦在100年前發表的廣義相對論的所有預測，終於全部被天文觀測證實。是次發現的重力波，在LIGO升級完成，成為aLIGO之後就立即探測到了。
▲ 已經過同儕審查、LIGO Lab2月11日於Physical Review Letters發表的論文。
LIGO Lab於2015年9月14號09:50:45.391 UT探測到一個重力波，代號G184098。由於aLIGO探測器共有兩個，分別位於路易斯安那州和華盛頓州，兩者相距3,002公裡。因此同一個重力波會在不同時間抵達兩個aLIGO探測器，使用三角測距法就能夠計算出其波源距離地球有多遠。
經過計算，G184098位於銀河系外非常遙遠的地方，其重力波以光速穿越宇宙大約13億年，在2015年9月14號到達地球。LIGO Lab分析G184098的訊號，發現其頻率與波幅都隨時間上升，然後突然消失。使用超級電腦對比愛因斯坦方程式的模擬，我們能夠確定G184098的訊號是黑洞雙星系統產生的，即兩個恆星質量的黑洞互相公轉、最後結合。
▲ NASA超級計算機模擬得到的黑洞雙星開始合併的情形
LIGO研究團隊指出，這兩個黑洞的質量大約各為30倍太陽質量。兩個黑洞結合時輸出的功率，是全宇宙所有恆星的總和的50倍！不過因為黑洞結合時間極短，所以釋放出的總能量「只有」3個太陽質量，即是把5,970,000,000,000,000,000,000,000,000,000公斤的質量一起變成能量。嗯，自己使用E=mc 2計算吧……
重力波的發現，除了是愛因斯坦廣義相對論的一個漂亮驗證、完美地證實了他的最後一個預言外，對人類科學發展還有非常重要的意義。400年前，伽俐略首先用望遠鏡看向宇宙，開創了天文觀測的新一頁。400年之間，人類打開了從可見光到紅外線、微波、射電、紫外線、X光、伽瑪射線等所有電磁波天文學，發現了許許多多前所未見的事物。誰又能夠預計重力波天文學會把什麼有趣和新奇的物理帶給我們看？
在廣義相對論發表100周年的今天，容許我們再次向愛因斯坦致敬：愛因斯坦教授，你的理論是正確的。
（註：重力波源G184098現已正式命名為GW150914，以下將使用其新名稱。）
美國雷射幹涉重力波天文臺(LIGO Lab)昨天宣布已在2015年9月14號09:50:45.391 UT探測到一個重力波，代號GW150914。經過計算，GW150914的統計重要性有5.1σ，達到科學界公認的「真．發現」標準。
▲ 兩座aLIGO探測器錄得之訊號皆與理論模擬吻合。Credit:Abbott et al.2016
位於路易斯安那州和華盛頓州的兩座aLIGO探測器相隔0.007秒分別獨立地錄得同一個訊號，其時間波形互相吻合。LIGO Lab科學家使用愛因斯坦方程式以超級電腦模擬得到的雙黑洞結合重力波形，亦與GW150914極為吻合。
然而，我現正工作的費米伽瑪射線太空望遠鏡伽瑪射線暴監察器(Fermi GBM)團隊，驚訝地發現在aLIGO探測到重力波GW150914後0.4秒，即09:50:45.8 UT，Fermi GBM探測到來自天空同一區域的微弱伽瑪射線！
▲ 來自於GW150914同一天區的微弱伽瑪射線GW150914-GBM(綠色)。Credit:Connaughton et al.
Fermi GBM的主要科學研究是伽瑪射線暴。伽瑪射線暴有兩種成因，其中一種就是雙星系統結合時發生的超高能量爆炸。我們發現的這來自GW150914同一天區的微弱伽瑪射線，稱為GW150914-GBM。它在時間和能譜上都與一般雙星系統結合時發生的伽瑪射線暴無異，只是其總能量輸出是以往同類錄得的十分之一。如果GW150914-GBM真的是雙星系統結合時產生的伽瑪射線暴，而且與GW150914重力波源有物理關係，那麼我們就有難題了。
為什麼？不是說GW150914重力波源是雙黑洞系統、GW150914-GBM疑似是雙星系統結合所產生的伽瑪射線暴嗎？
伽瑪射線暴的產生必須有一個重要前提：雙星系統結合後必須有物質在系統附近，因為伽瑪射線是物質發射出來的。所以造成伽瑪射線暴的雙星系統不可以是兩個黑洞，其中之一必須是中子星，或者兩個都是中子星。可是aLIGO夠探測到的是兩個黑洞結合產生的重力波，而兩個黑洞結合後是沒有物質剩下來的！因此，如果GW150914-GBM的伽瑪射線真的來自於GW150914重力波源的話，其物質從哪裡來？
Fermi GBM的這個疑似發現，現在已公開放在NASA Fermi GBM網頁上，任何人也可以下載閱讀，並將投稿到學術期刊等待同儕審查。究竟GW150914-GBM是否真的來自GW150914重力波源的伽瑪射線暴，還是巧合地來自向一天區的伽瑪射線呢？如果是，那麼雙黑洞系統又是如何提供物質給伽瑪射線暴？這有待未來收集更多數據才可以下定論。
我們看到在科學裡，一個發現必定同時帶來更加多的難題。我們應該把這些新的挑戰視為進步的動力，以理性和好奇的心去欣賞大自然難解卻又美麗的奧秘。