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關於太初重力波你不能不知的18件事

4.7更新:本文處於爭議階段,目前正在討論與收集意見

gravity_waves

文:梅賢豪(博士後研究員)

March 18, 2014 at 3:13pm

台灣這裡是該要睡了的時間。睡前滑滑手機,發現學長分享了不得了的事:大霹靂以來的重力波偵測到了!(相關新聞:Nature, Stanford, Scientific American

在 一般民眾心中,這事應該不會比馬航MH370找到了更重要。不過對於我個人,它有個難以言喻的重要意義:從上研究所以來所有的研究方向與方法都繞著重力波 (Gravitational Wave,簡稱GW,大陸慣稱引力波)這三個字轉,如今找到了,很驚喜,也很失落,尤其是找到的團體與方法從來沒看過。

科 學上有些砸了大錢的部分,大家都容易看到,連LBJ都看得到,像是大強子碰撞機、上帝粒子,像是火星好奇號,或是關於雷射核融合等與核電存廢扯得上邊的議 題,都能引起民眾討論;一般民眾剩餘的好奇心,大概都在於新手機、3D列印、數理奧林匹亞或發明展又奪幾面金牌吧!重(引)力波?那是甚麼?可以吃嗎?

我憑印象胡謅一下,不盡完善處歡迎糾正補充:

關於重力波的8件事

  1. 愛因斯坦最先在廣義相對論中預測重力波的存在,同時也提到,太微弱恐怕無法觀測。
  2. 重力波是類似電磁波的古典概念:當帶電粒子有加速運動時,會輻射電磁波;所以帶有質量(尤其是大質量)的天體(例如黑洞、中子星)加速運動(通常是互繞)時,就會輻射重力波,互繞靠近、愈繞愈快。
  3. 當兩塊磁鐵靠得夠近時,可能在你無預警的時候瞬間運動、吸在一起;當兩個黑洞等級的重力源互相靠近時,也有這種瞬間變化現象,具體地說它們因為加速運動釋 放重力波後,能量減少距離靠近,原本互繞的頻率會逐漸加快,當兩天體近到將融合時,瞬間釋放的重力波形態就會反映這種瞬間加快的頻率現象,科學上說這像是 鳥的叫聲Chirp,中文把這字翻譯成「唧頻」,你就想像在早晨突然聽見一聲鳥叫,重力波如果觀測到就差不多像那樣。在1974年侯斯(Russell Hulse)與泰勒(Joseph Taylor)藉由研究波霎雙星的互繞速率變快,推論出重力波確實存在,獲1993年的諾貝爾物理獎。
  4. 重力波的表現是影響時空平滑性,在平滑時空中的圓「○」,當有重力波通過時,時空被扭曲拉伸,就可能變成「0」的橢圓形狀,或是把「0」轉90度變成平躺 的橢圓;這是其中一種可能的模態,根據時空把圓「○」的拉扯方向,定義成「+」模態,另一種完全獨立的重力波拉扯方向是「×」模態,這兩種模態稱為重力波的兩種偏振態(與光的偏振態不同請勿混淆)。與電磁波不同的是,重力波不是一種橫波(模態改變方向與波傳播方向垂直的叫橫波,如繩波、水波),所以只能被 「聽」見,就像鳥叫聲被「聽」見一樣。
  5. 能夠量測空間變化的實驗裝置,是最傳統的麥克遜干涉儀(證明光速恆定的那個實驗)[註1],兩條等長干涉臂,在平滑時空時沒甚麼新鮮事發生(干涉條紋無變 化),但若重力波通過,例如「0」的瞬間,兩條干涉臂就會感受到時空扭曲,長度不等而產生干涉條紋明暗改變,藉由判讀干涉條紋的變化,來證明重力波通過。但如同愛因斯坦所預測,重力波太過微弱,所以必須增加儀器靈敏度才能測到。傳統上的做法是在地面上增加干涉儀的臂長(公里等級),以及在每臂再架設 Fabry-Perot干涉儀,增加光在每臂往返次數。空間變化比率叫Strain,給它個符號h,重力波通過時造成的互相垂直兩臂長不等的變化量d,光 在每臂通過總長度D,h=d/D,重力波通過時的h大約在10-24以下,這樣的數字可以這麼形容:人的身高大約都在1米多,一般說的奈米是10-9米,原子核尺度是費米即10-15米,這些跟人身高相比都還達不到h=10-24。但是拿原子核尺寸跟地月之間距離(38萬公里)比就差不多同級了,等同於在地月之間偵測1顆原子核這樣的距離變化量。這些地基觀測站的名稱有:LIGOVIRGOKAGRAGEO600AIGO等等,目前與台灣關係比較深厚的是日本神岡的KAGRA(意:神樂,來自神的樂音,請回想「像鳥叫的重力波需要被聽到」這些敘述文字),以低溫降噪(KAGRA前身叫LCGT大型低溫重力波望遠鏡,其中的C就代表低溫Cryogenic)與雷射的Squeeze-state(超越量子障壁)為突破重點,整個設施建在山壁礦坑中(示意圖),兩臂各長3公里,預算方面稍微受創於311地震海嘯災情,目前還在建。[註1] 重力波偵測也有利用球型(Sphere)、柱型(Bar)共振腔的方式,如同人耳與狗耳的差異般,與麥克遜式干涉儀分庭抗禮,聆聽不同的波段。活躍的團隊有MiniGRAIL、NAUTILUS、EXPLORER、AURIGA等等。
  6. 為了提高靈敏度,人們把腦筋動到太空,在太空中干涉臂可以夠長。目前比較有機會可能可以的是LISA計畫(雷射干涉儀太空天線,宣傳影片在此)發射三枚衛星到日地拉格朗日點(到定點後可花最少燃料維持與地球、太陽距離不變),每枚衛星內含drag-free的試體,彼此以雷射干涉測量三試體間距離(三干涉臂長),它的前導計畫LISA Pathfinder最近要開記者會確定發射日期。此外我老闆也一直進行他的ASTROD計畫,計畫最終型態ASTROD-GW預計發射三枚衛星,一枚到日地連線對面拉格朗日點L3,另兩枚分別在L4與L5。
  7. 重力波要如何量得到?想聽鳥叫,要去鳥多的地方,或是擁有特別靈敏的耳朵,如同人耳與狗耳的不同,能聽的頻率波段(靈敏範圍)是固定有限的,想聽的目標與偵測器要匹配; 同時鳥也不一定何時叫,但從鳥群密度總可估算出個大致的此起彼落事件發生頻率;重力波的產生主要看波源,也就是互繞的中子星、或互繞的黑洞,在離我們近的宇宙空間中的數量密度以估算發生頻率,當然超過一定距離的也聽不到了(如同望遠鏡能看多遠一樣有個空間範圍)。單位體積內的事件發生頻率(一棵樹上能住的 鳥發生突然的鳥叫)大致是固定的,愈靈敏的探測器能聽到的空間(V)愈廣(樹林愈大),乘起來後代表愈靈敏的探測器聽到事件的頻率愈高。最近一次得到的訊息是,若KAGRA一切照計畫完成,估計大約每年可以聽到十次唧頻鳥叫。而美國老大哥的LIGO在主導各地面站的網路連線,單一地面站只能「聽到」,卻很難指出從哪個方向聽到(一般人能聽聲辨位是因為有雙耳聽覺,單一地面站類似單耳);當所有地面站同步連線運作後,以時間差或相位差來判斷,指向精確性就提高,搭配傳統天文台觀測到的事件比對,甚至可以驗證重力波是否如同光波一樣,以光速傳遞,或是更密集指向地觀測Gamma-ray爆發事件(目前似乎各自 用巡天方式亂槍打鳥,找到事件就立刻將已連線網路內所有天文台望遠鏡同步指向同區域,若能增加有可能源自Gamma-ray爆發的重力波事件一起同步望遠 鏡也是件好事)。
  8. 這次新聞中報導的「重力波偵測到了」,與上述的都無關,但上述資料可以提供一個背景參考。這次偵測到的,其實也不算「聽」到,因此也不是「直接量測」,但 卻是一個非常堅實的實驗證據。主要原因,是因為這次偵測到的叫做「太初重力波(Primordial Gravitational Wave)」的特有「簽名痕跡」,而這個偵測到的證據,證明了暴漲理論,提供量子重力與大一統理論堅實基礎,也是人類第一次窺視到(從前只有想像與計算) 宇宙誕生後的第10-37秒。

什麼是太初重力波?

[這方面我的背景比較薄弱,部分摘自維基百科,請當不學術的科普看]

  1. 1940年代阿爾菲和赫爾曼推論,若大霹靂存在,宇宙膨脹應會拉長並將極早期宇宙的高能輻射冷卻到微波範圍,並降溫到大約5K。1964年美國射電天文學 家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜偶然發現宇宙微波背景(CMB,又稱3K背景輻射),並於1978年獲得諾貝爾獎。它是一種充滿整個宇宙的電磁輻射。特 徵和絕對溫標2.725K的黑體輻射相同。「宇宙微波背景是我們宇宙中最古老的光,當宇宙剛剛380,000歲時刻在天空上。它顯示出微小的溫度漲落,對 應著局部密度的細微差異,代表著所有未來的結構,是當今的恆星與星系的種子」宇宙微波背景輻射和宇宙學紅移-距離的關係一同被視為大霹靂理論最好的證據。
  2. 宇宙微波背景輻射一開始被認為是均勻的,後來經由COBE與WMAP等巡天量測後,人們研究宇宙可能的不均勻性與各向異性。從WMAP已可反推宇宙組成約4%物質、23%暗物質、73%暗能量。從暴漲期開始(宇宙年齡10-37秒) 冷卻過程中的各級相變,逐步確定今日世界的樣貌:物質(相對於反物質)主導、基本交互作用從對稱破缺中確立、原子主導。微波背景輻射的時間是宇宙年齡38 萬歲,從那時開始光才可以自由活動(宇宙變透明),使得今日我們看得到CMB,再往前無法「看到」,但可以在如同LHC大強子對撞機中模擬當時的高溫狀 態;再往前?只有研究天空中特定區域特定事件,為何黑洞一直是研究熱點?因為它的時空奇異性與大霹靂,或是早期宇宙的奇異性類似。
  3. 既然研究終點與研究起點重要性類似,那麼其他方面也類似。在大霹靂之初,密集的能量也應該輻射出重力波,這種重力波也被稱為太初重力波。隨著宇宙暴漲與冷 卻,重力波也逐漸微弱,但並不消失。當宇宙微波出光的那一瞬間(宇宙齡38萬歲),太初重力波也在時空中留下了自己的痕跡,讓CMB在這痕跡中傳播出去。 CMB的不均勻度在數μK的階層上為偏振。偏振有兩種類型,為「E」模式和「B」模式。這與靜電學有關,當電場(「E」場)消失一個旋度,磁場(「B」 場)會消失一個散度。「E」模式因湯姆森散射,在不勻相電漿中自然產生。「B」模式被認為振幅最大應有0.1μK,並非由電漿物理產生。它們是來自宇宙暴 脹的信號,其密度決定了太初的重力波。探測「B」模式將是極其困難的,尤其是前景污染程度未知,弱重力透鏡信號又混有較強的「E」模式信號與「B」模式信 號。
  4. 這次新聞發佈是在南極的BICEP2望遠鏡觀測CMB訊號中的「B」模式發現的。它依據前身BICEP的訊號尋找天區中一塊前景較乾淨的區域來觀測,512個超導微波探測器的陣列(NASA與JPL合作,參考這篇)冷卻到絕對溫度4K,提供良好的靈敏度。關於太初的重力波的「B」模式,理論計算是走在前頭的,理論老早就給出測到的Cosmic curl峰值視張角在1-5度之間(太陽與月球直徑視張角約半度),量到的結果,正中此範圍!

觀測到太初重力波簽名痕跡的重要性

  1. 暴漲與太初重力波的直接證據,以及人類真的「看到了」宇宙年齡10-37秒。
  2. 證明目前與其他三種基本作用很難合併的重力,早期的確是大一統合併在一起。
  3. 量子重力有了穩固的實證基礎可以繼續發展(場論與廣義相對論的合併與解釋)。
  4. 諾貝爾獎(像這種媲美CMB級的發現幾十年出一次)。
  5. 後續驗證:與巡天衛星Planck的「B」未來偏振模式觀測結果比較印證。目前BICEP2量到的訊號強度似乎是Planck已觀測資料的兩倍,也因此訪談計畫主持人時,他說原本大家形容找「B」偏振模式像是獵雁,我們獵到了鴕鳥。
  6. 傳統重力波地面站與太空計畫:仍有維持下去的必要性,畢竟BICEP2觀測到的是「痕跡」,而重力波仍然值得真正地被「聽」到。
  7. 科學上一個事件的終點隱含另一事件的起點,如同光一樣,看到光並不是終點,可以再研究干涉繞射、光電效應、光速、光偏振、光譜、色散、非線性倍頻、光頻梳等等,重力波的未來,除了波譜,也應該有其餘的切入面向值得探索。在台灣這是一個冷門的區域,但事實上從1980年代起這方面的台灣本土研究在國際參與上都沒有缺席,我們投入得不算晚,期盼更多的了解帶來更多的興趣。

 

作者同意轉自臉書網誌

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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。