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關於宇宙探險,我們能夠移居外星球嗎? ——《人類未來三部曲》書評

時報出版_96
・2019/03/20 ・3430字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

  • 文/科幻電影希米露

曾經有陣子,每次打開電視轉到 Discovery Channel 時,我一定會等待或停留的節目,就是加來道雄 (Michio Kaku) 的《科幻成真》(Sci Fi Science: Physics of the Impossible, 2009-10)。當時會喜歡這個節目,並非基於我是個科幻迷,也非因為我愛好科學,而是因為這位歡樂幽默的白頭髮老爺爺,總能讓人在歡笑中獲得不思議知識。

加來道雄(Michio Kaku)的節目《科幻成真》(Sci Fi Science: Physics of the Impossible)。圖/IMDb

當時,我並不知道加來道雄是位著作等身的知名物理科學家,也不曉得他是愛因斯坦的大粉絲,更不曉得他是弦理論跟萬有理論的著名學者,單純只是喜歡他那彷彿科學超簡單的開朗熱情,還有總能四兩撥千斤地解說科學的快意態度。與其說是在看科學節目,我倒覺得比較像是在看白頭髮老先生穿著巫師白袍在表演魔術。

後來,真正開始閱讀加來的書,是 2015 年出版的《2050 科幻大成真》(The Future of the Mind: The Scientific Quest to Understand, Enhance, and Empower the Mind),當時會毫不猶豫地把這本書買回家,實在是因為我太想知道為何在 2050 年這麼近的未來,科幻故事和電影中的奇思幻想,就已經都能在現實中輕鬆實踐。

未來文明大預測:第五波科學革新浪潮

無論是書寫與節目,加來最讓人稱揚嘆服之處,就是他總能把傷腦磨人的科學知識,仿若探囊取物般地輕易解釋。那些學院中盤錯難解的理論與哲學,從他口中道出之後,都好似反掌折枝的日常小實踐與生活小常識,於是無論是愛因斯坦或是人工智慧,都成了親切風趣的床邊故事。

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要能夠把最艱澀深奧的知識,自在輕快地以故事描述,而無須透過大量攪舌的專有名詞,那肯定是因為作者早已熟稔知識,並能將形上思想靈活通曉於生活與人生,才能游刃有餘地將乾澀的專業,向平凡的素人解釋說明。加來就是這類科學家,而近日剛出版的《離開太陽系》(The Future of Humanity: Terraforming Mars, Interstellar Travel, and Our Destiny Beyond Earth),也屬這種只要有能力讀懂中文,就有辦法讀懂內容的科普讀物。

然而,別以為那些能看懂的科學,就是簡單的知識,加來道雄的《離開太陽系》可是個包羅萬象的今日世界總整理與未來文明大預測 ── 關於第四波與第五波的科技革新與浪潮。(註)

若不是科學專業或者研究人員,大部分的人在學校所獲得的科學知識,大多只達第一波科學革新浪潮,或者頂多只到第二波。然而,我們已經身處在第三波科學革新浪潮中,第四波也已經迫在眼前,更何況是加來在《離開太陽系》所設想的是第五波科學革新所帶動的宇宙探險。

圖/pixabay

加來循序漸進地由科技的今日現況開始說明,介紹現今的火箭是經過多少的實驗與改革,才逐漸演化成今日的太空發射系統,從早期的拋棄式到現在可回收,從過去的政府主導到現在的企業自籌,從過去的許願登陸月球到現在的企圖登上火星。

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生活在太空不容易:未知的環境與自身肉體的挑戰

在閱讀關於火箭與登月的這幾個篇章,總讓人忍不住回想起 2018 年由達米恩.查澤雷(Damien Chazelle)所導演的《登月先鋒》(First Man)。雖然由今日看來,成功登月是項時代壯舉,但是在阿姆斯壯留給月球的第一個腳印之前,這項計畫已經經歷不可計數的失敗與打擊,不只有來自民眾的抗議與社會輿論的攻擊,還有來自參與計畫的隊友因實驗意外而離世的悲悵。

例如,只要一離開地球,無論是待在太空艙、處在太空旅行、或是身在任何重力比地球小的星球上,人體就會因為失重而產生肌肉萎縮與骨質流失的困擾,於是,所有離開地球的太空人或者移民者,都得強迫自己肌肉訓練。對於那些長時間在地球之外探險的太空人來說,都是以自己的肉體在拼博知識的墾荒與未知的世界。

對太空人來說,在外太空都是以自己的肉體在拼博知識的墾荒與未知的世界。
圖/《登月先鋒》劇照 IMDb

想登上月球、火星、木星的衛星歐羅巴、或是土星的衛星泰坦,人類得克服的困難固然很多,但是假若想移民到這些星球(例如人類已經面臨《星際效應》的地球危機),更是窒礙難行。想登上星球,只需考慮如何抵達,僅需解決星際交通問題;但是想要定居,就得改造星球,創造合宜的空氣、水、與溫度,才有機會讓人類自足自給且安居樂業。

改造行星三步驟:水、溫室和農業

於是,加來由氣候、氣體、泥土、水資源、礦資源、農業、與重力等等,解釋每個在太陽系有可能成為人類居住的星球,各有哪些造鎮計畫的天然優缺點,還有哪些可行的改造原則與手段。例如想要改造火星,首先得在大氣層注入甲烷與水蒸氣,創造人工的溫室效應,接著再將二氧化碳的冰帽加溫,間接製造水。有了水和溫室,才有機會創造農業,進而才有造鎮與定居的可能。

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然而,看似簡單的火星改造三步驟,其實都是移山填海的艱鉅險阻。光是要「融化冰帽」,就得從地球運送太陽能板、集中太陽熱能、再長期照射火星冰帽,慢慢等待二氧化碳的融化。這些曠日廢時的一連串步驟,都是重重障礙,也不知何時才真能解火星的水源問題,於是,有著偉大火星夢且已經發射 X Space 的伊隆.馬斯克(Elon Musk),乾脆提出更瘋狂的構想,不如直接在火星冰帽上引爆氫彈,一次融化冰帽,就能迅速創造水源(不過,爆氫彈的構想其實是個不顧負面後果的妄想)。

看似簡單的火星改造三步驟,其實都是移山填海的艱鉅險阻。這些曠日廢時的一連串步驟,都是重重障礙,也不知何時才真能解火星的水源問題。圖/wikipedia

宇宙航行的未來:後人類的宇宙探索的展望

此外,《離開太陽系》不只描述人類主意的星球改造計畫,還有前往太陽系之外的其他星際旅程。然而,想離開太陽系,人類肯定要能克服更長時間的無聊航行,理想上最好是能創造出超越光速的太空船。在整書本的後半部,就是關於第四波太陽系殖民之後的第五波後人類宇宙探索。

想離開太陽系,人類肯定要能克服更長時間的無聊航行。圖/NASA

此時,人類就得運用大量的人工智慧與機器人,盡量避免人體在在探險中的風險與外星生活的不適應,正如同《銀翼殺手》(Blade Runner, 1982)中的仿生人,就是外星探索與礦物開採的主力。在探討人工智慧與機器人之時,鑑於大部分科幻小說家的臆想,假設機器人有朝一日肯定會產生自我意識、決心反抗革命、不只反噬人類、甚且操縱地球。不過加來以「意識的時空理論」,推演機器人意識覺醒的可能性,他最後樂觀地說:別擔心,百年內還看不到。

此外,到了 21 世紀後半或 22 世紀,AI 人工智慧、奈米技術、還有生物科技都已經更為先進之時,或許人類也無須再使用脆弱的人體進行時空旅行,若不是可以透過生物改造人體,不然就是可以將意識直接上載直接搭載 AI 機器人。總之,後人類時代的「人」的組合與概念,肯定又是另外一番風景與多層辯論。

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對未知宇宙的浪漫想像:科幻創作最好的題材

在《離開太陽系》,無論是星球的天然條件與改造計畫,或是太陽系外的宇宙,滿滿都是知識與推論,不只有科學角度,有歷史上的發現與臆度,還有這些星球在科幻電影與小說中的想像與詮釋。對於喜歡探索宇宙、星球科學、或是揣卜未來的讀者,都能在此書讀到有趣的內容。最能受惠者,應該是正在撰寫科幻小說的作家,肯定是源源不絕的未來科技靈感與末世題材。

圖/pixabay

不過,想要了解現在與認識未來,除了《離開太陽系》,最好連同加來道雄的《科幻大成真 2050》與《科技大未來 2100》(The Future of the Mind: How Scienc Will Shape Human Destiny and Our Daily Lives by the Year 2100) 一起互文閱讀,才能形成如虎添翼的三位一體,形成一套有系統的藍圖與解答,幫助我們在急速轉變的現在,認識未來在人類腦中的小宇宙,還有地球外面的大宇宙。

註解:

  • 第一波科學革新浪潮,指的是十九世紀因為力學與熱動力學所帶來的相關工業革命,例如因為蒸汽引擎的發明而帶來火車改變交通與工業急速發展,自此衍生一系列的文明轉變。第二波則是二十世紀的電子時代,由電學與磁學所帶動的電氣化時代 ── 電視、廣播、雷達、太空梭。第三波則是現在的高科技產業,由電晶體所帶動的電腦、網路、衛星定位等等。第四波則是 AI 人工智慧、奈米技術、生物工程等等。
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時報出版_96
174 篇文章 ・ 34 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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高速移動的話時間流速會不一樣嗎?時間暫停是可能的嗎?——《關於宇宙我們什麼都不知道》
天下文化_96
・2023/11/08 ・2746字 ・閱讀時間約 5 分鐘

我們都感覺到相同的時間嗎?

在二十世紀之前,科學認為時間是普適的:每個人和宇宙中的一切,都感覺到相同時間。那時的假設是,你如果在宇宙裡四處擺滿了一模一樣的時鐘,那麼每個時鐘在任何時刻都會顯示相同時間。畢竟,這就是我們在日常生活中遇到的情況。想像一下,如果每個人的鐘都以不同的速度奔跑,會是多麼混亂!

但後來,愛因斯坦的相對論把空間與時間結合成「時空」*1 概念,改變了一切。愛因斯坦強調,移動中的時鐘運行速度較慢。如果你以接近光速行駛至附近的星星,那麼你體驗的時間,將遠遠少於在地球上的時間。這並不是說你覺得時間過得很慢,像是「駭客任務」中的慢動作鏡頭那樣,而是說地球上的人和時鐘測量到的時間,會比宇宙飛船上的時鐘量到的更長。我們都以同樣的方式(以每秒一秒的節奏)體驗時間,但是如果我們彼此以相對高速移動,我們的時鐘就不會同步。

在瑞士的某個地方,製錶師剛剛心臟病發作。

一模一樣的時鐘卻以不同速度運行,似乎違背了所有的邏輯論證,但宇宙就是這樣運行的。我們知道這是真的,因為我們己經在日常生活中見證了。你的手機(或汽車、飛機)上的 GPS 接收器,會假定繞地球跑的 GPS 衛星時間走得較慢(衛星以每小時數千里的速度,在受地球巨大質量彎曲的空間中移動)。沒有這些資訊,你的 GPS 設備將無法從衛星傳輸的信號中,精確的同步和進行三角定位。關鍵是當宇宙遵循某個邏輯法則時,這些法則有時不見得如你所想。以這個案例來說,宇宙有個最高速限:光速。根據愛因斯坦的相對論,沒有任何東西、資訊甚至是外送披薩的旅行速率,可以比光跑得快。這個速率(每個時段所移動的距離)的絕對上限,會產生一些奇怪後果,並挑戰我們的時間概念。

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首先,先確定我們了解這個速率限制是如何運作的。最重要的規則是:從任何角度來衡量任何人的速率時,這個速率限制都必須適用。我們說沒有什麼東西可以比光速還快時,無論你用什麼觀點來看,就是「沒有」。

所以我們來做個簡單的思考實驗。假設你坐在沙發上並打開手電筒。對你來說,手電筒的光線以光速遠離你。不過,我們是否可以把你的沙發綁在火箭上,點燃火箭然後讓沙發以驚人的速度移動呢?如果此時你打開手電筒,會發生什麼事?如果把手電筒指向火箭前方,光線是否以光速再加上火箭的速率移動呢?

我們將在第十章〈我們能以超光速移動嗎?〉花更多時間在這些想法上。但重要的是,為了讓所有觀察者(在火箭上的你和我們其他在地球上的人)看到,手電筒的光線都是以光速移動的,於是某些東西必須改變,這個東西就是「時間」。

為了幫助你理解這個概念,讓我們回到把時間當做時空第四維度的想法。這個想法有助於想像物體如何穿越時間和空間,而把宇宙速限應用在你的總速率上。如果你坐在地球上的沙發裡,你沒有穿越空間(相對於地球)的速率,所以你穿越時間的速率可以很高。

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但如果你坐在火箭上,對地球而言,火箭的移動速度接近光速,那麼你穿越空間的速率是非常高的。因此,為了讓你穿越時空的總速率在相對於地球時,保持在宇宙速限之內,你的時間速率必須減少,在此所有的速率量測都使用地球上的時鐘。

還讀得下去嗎?

對於不同人可以回報不同時間長度,你可能很難接受,但這是宇宙的運作方式。更奇怪的是,人們可能會在某些情況下,看到事件以不同順序發生,而且都是正確的。舉例來說,兩位誠實的觀察者,如果以非常不同的速度移動,他們會對誰贏得直線競速賽有不同的看法。

如果你的寵物美洲駝和雪貂進行賽跑,那麼,依據你的移動速度和相對於比賽場地的距離,你可以看到心愛的美洲駝或雪貂贏得比賽。每隻寵物都會有屬於自己事件的版本,如果你的祖母能夠以接近光速的速率移動,她看到的比賽結果可能完全不同。而且,所有人都是正確的!(不過要注意的是,每個人的時間起始點都不相同。)

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圖/《關於宇宙我們什麼都不知道》

我們喜歡認為宇宙有絕對真實的歷史,所以不同人可以體驗不同的時間,是令人難以接受的想法。我們可以想像,原則上有人可以寫下宇宙至今發生的每一件事(這會是非常冗長的故事而且大半都超級無聊)。如果這故事存在,那麼每個人都可以根據自己的經驗來進行檢查,除非是無心之過或視力模糊,每個人讀的故事應該要一致。但愛因斯坦的相對論使得一切都是相對的,所以不同觀察者對於宇宙裡事件的先後順序,會有不同的描述。

最終我們必須放棄宇宙有絕對單一時鐘存在的想法。雖然因此我們有時會遇到違反直覺且看似荒謬的領域,但驚人的是,這種看待時間的方式已測試為真。與許多物理革命一樣,我們被迫拋棄自我的直覺,並遵循受時間主觀意識影響較小的數學之道。

時間會停止嗎?

打從一開始,人們就想排除時間會停止的概念。時間除了向前,我們從未見過它做過其他事,既然如此,時間怎麼可能還有別的選項呢?由於我們本來就不清楚為什麼時間要前進,所以很難自信的說,時間向前是永恆真理。

一些物理學家相信,時間的「箭頭」是根據熵必須增加的法則所決定。也就是說,時間的方向與熵增加的方向相同。但如果這是真的,當宇宙達到最大熵時會發生什麼事?在這樣的宇宙裡,一切都將處於平衡而且不能創造秩序。那麼,時間會在這一點停下來嗎?還是時間不再有意義?一些哲學家猜測,在這個時刻,時間的箭頭和熵增加的法則可能會逆轉過來,導致宇宙縮小到一個微小奇點。不過,這個說法比較像是深夜裡藥吃多了後激發的猜測,而不是實際的科學預測。

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還有理論提出大霹靂創造了兩個宇宙,一個時間向前流逝,一個時間向後奔流。更瘋狂的理論則提出時間不只一個方向。為什麼不呢?我們可以在三個(或更多)空間方向中移動,為什麼不能有兩個或更多的時間方向?真相為何?如往常一樣,我們不知道。

註解

  1. 愛因斯坦的天才並沒有展現在為事物命名上面。

——本文摘自《關於宇宙我們什麼都不知道》,2023 年 9 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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諦聽宇宙深處的低吟,宇宙低頻重力波訊號代表的意義——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/01 ・3782字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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  • 作者/陳哲佑
    • 任職於日本理化學研究所,專長為黑洞物理、宇宙學、重力理論等。
    • 熱愛旅行、排球與珍珠奶茶
  • Take Home Message
    • 今(2023)年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(NANOGrav)團隊觀察到宇宙中的低頻重力波。
    • NANOGrav 團隊利用數個脈衝星組成「脈衝星陣列」(PTA),測量各脈衝星訊號到達的時間,計算不同訊號的到達時間是否存在著相關性。
    • PTA 得到的重力波訊號相當持續,沒有明確的波源。科學家推測此訊號可能來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。

2015 年 9 月,位於美國的雷射干涉儀重力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)成功偵測來自雙黑洞碰撞的重力波訊號(請見延伸閱讀 1)。

這個發現不僅再次驗證愛因斯坦(Albert Einstein)「廣義相對論」的成功,更引領人類進入嶄新的重力波天文學時代。到了現在,我們不僅能使用各種電磁波波段進行觀測,還多了重力波這個強而有力的工具能夠窺探我們身處的宇宙,甚至還有同時結合兩者的多信使天文學(multi-messenger astronomy)註1,皆能帶給人類許多單純電磁波波段觀測無法觸及的資訊(請見延伸閱讀 2)。

如同不同波段的電磁波觀測結果為我們捎來不同的訊息,重力波也有不同的頻譜,且頻譜與產生重力波的波源性質有非常密切的關係。以雙黑洞碰撞為例,系統中黑洞的質量與碰撞過程中發出的重力波頻率大致上成反比,因此當系統中黑洞的質量愈大,它產生的重力波頻率就愈低。

目前地球上的三個重力波天文臺:LIGO、處女座重力波團隊(The Virgo Collaboration, Virgo),以及神岡重力波探測器(Kamioka Gravitational wave detector, KAGRA, or Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope, LCGT)都受限於干涉儀的長度,只對頻率範圍 10~1000 赫茲(Hz)的重力波有足夠的靈敏度,此範圍的重力波對應到的波源即是一般恆星質量大小的雙黑洞系統。

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然而,來自超大質量黑洞互繞所發出的重力波頻率幾乎是奈赫茲(Nano Hertz,即 10-9 Hz)級別,如果想要探測到此重力波,就需要一個「星系」規模的重力波探測器。雖然這聽起來彷彿天方夜譚,但就在今年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav)的團隊利用「脈衝星計時陣列」(pulsar timing array, PTA)成功地觀測到這些低頻重力波存在的證據。

以不同方式觀察不同頻率的重力波

與電磁波相似,重力波也有不同的頻率。不同頻率的重力波會對應到不同性質的波源,且需要不同的方式觀測。圖/科學月刊 資料來源/Barack, et al. 2018

NANOGrav 如何觀測低頻重力波?

讀者聽過脈衝星(pulsar)嗎?它是一種高速旋轉且高度磁化的中子星(neutron star)註2,會從磁極放出電磁波。隨著脈衝星的旋轉,它的電磁波會以非常規律的時間間隔掃過地球,因而被身處於地球上的我們偵測到,就像是海邊的燈塔所發出的光,會規律地掃過地平面一般。由於脈衝星的旋轉模式相當穩定,掃過地球的脈衝就如同宇宙中天然的時鐘,因此在天文學上有相當多的應用——甚至可以用來觀測重力波。

利用脈衝星觀測重力波的第一步,首先要記錄各個脈衝星的電磁脈衝到達地球的時間(time of arrival),並且將這些訊號與脈衝星電磁脈衝的理論模型做比對。

如果訊號和理論模型相符,那麼兩者相減後所得到的訊號差(residual)只會剩下一堆雜訊;相反的,如果宇宙中存在著重力波,並且扭曲了該脈衝星和地球之間的時空,那麼兩訊號相減之後就不會只有雜訊,而會出現時空擾動的蹤跡。

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利用數個脈衝星組成的脈衝星計時陣列,可用來尋找宇宙中低頻的重力波訊號。圖/Tonia Klein, NANOGrav 

然而以觀測的角度來看,即便我們從來自單一脈衝星的訊號中發現訊號差出現偏離雜訊的跡象,也不能直接推論這些跡象一定是來自重力波。畢竟科學家對脈衝星的內部機制和脈衝傳遞的過程也並未完全了解,這些未知的機制都可能會使單一脈衝星的訊號差偏離雜訊。

因此為了要判斷重力波是否存在,就必須進行更進一步的觀測:利用數個脈衝星組成脈衝星陣列,測量每個脈衝星訊號到達的時間,並且計算這些不同脈衝星訊號的到達時間是否存在某種相關性。

舉例來說,如果脈衝星和地球之間沒有重力波造成的時空擾動,那麼即便每顆脈衝星的訊號差都出現偏離雜訊的跡象,彼此之間的訊號也會完全獨立且不相干;反之,如果脈衝星和地球之間有重力波經過,這些重力波便會扭曲時空,不僅會改變這些脈衝訊號的到達時間,且不同脈衝星訊號到達的時間變化也會具有某種特定的相關性。

根據廣義相對論的計算,一旦有重力波經過,不同脈衝星訊號之間的相關性與脈衝星在天球上的夾角會滿足一條特定的曲線,稱為 HD 曲線(Hellings-Downs curve)。

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科學家以兩顆脈衝星為一組觀測單位,藉由觀測多組脈衝星的訊號、計算它們之間的相關性,再比較這些數據是否符合 HD 曲線,就能夠進一步推斷低頻重力波是否存在。值得一提的是,由於重力波訊號非常微弱,用來作為陣列的脈衝星必須有非常穩定的計時條件,因此一般會選擇自轉週期在毫秒(ms)級別的毫秒脈衝星作為觀測對象。

NANOGrav 在今年 6 月發布的觀測結果就是利用位於波多黎各的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory,已於 2020 年因結構老舊而退役)、美國的綠堤望遠鏡(Robert C. Byrd Green Bank Telescope)和甚大天線陣(Very Large Array, VLA)觀測 68 顆毫秒脈衝星。

他們分析了長達 15 年的觀測數據後,發現這些脈衝星訊號的相關性與 HD 曲線相當吻合,證實了低頻重力波確實存在於我們的宇宙中。

除了 NANOGrav,其他團隊例如歐洲的脈衝星計時陣列(European Pulsar Timing Array, EPTA)、澳洲的帕克斯脈衝星計時陣列(Parkes Pulsar Timing Array, PPTA)、印度的脈衝星定時陣列(Indian Pulsar Timing Array, InPTA),以及中國的脈衝星計時陣列(Chinese Pulsar Timing Array, CPTA)等,皆得到相符的結果。

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NANOGrav 觀測結果帶來的意義

與先前 LIGO 觀測到的瞬時重力波訊號不同,目前利用 PTA 得到的重力波訊號是相當持續的,而且並沒有較明確的單一波源,反而像是由來自四面八方數個波源組成的隨機背景訊號。

打個比方,LIGO 收到的重力波訊號像是我們站在海邊,迎面而來一波一波分明的海浪,每一波海浪分別對應到不同黑洞碰撞事件所發出的重力波;而 PTA 的訊號則是位於大海正中央,感受到隨機且不規則的海面起伏。

目前對這些奈赫茲級別的重力波訊號最合理也最自然的解釋,是來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。若真是如此,那這項發現將對天文學產生重大的意義。

過去科學界對於如此巨大的雙黑洞系統能否在可觀測宇宙(observable universe)的時間內互繞仍普遍存疑,如果PTA觀測到的重力波真的來自超大質量雙黑洞互繞,那代表這類系統不僅存在,它們的出現還比過去我們預期的更為頻繁,且產生的訊號也更強。

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NANOGrav 的觀測結果

橫軸為脈衝星陣列中,兩脈衝星位置之間的夾角;縱軸為訊號之間的相關性;藍色數據點為 NANOGrav 15 年的觀測結果;黑色虛線為 HD 曲線。可看出數據點的分布與 HD 曲線相當吻合。圖/科學月刊 資料來源/Agazie et al. 2023

不過除了雙黑洞系統,也有其他「相對新奇」的物理機制也可能產生這樣的重力波背景,包含早期宇宙的相變、暗物質,以及其他非標準模型的物理等。若要從觀測的角度去區分這些成因,最重要的關鍵在於,能否從隨機背景中找到特定的波源方向。

如果是雙黑洞系統造成的重力波,勢必會有來自某些方向的訊號比較強;反之,如果是早期宇宙產生的重力波,那麼這些重力波將會隨著宇宙的膨脹瀰漫在整個宇宙中,因此它們勢必是相當均向的。

為了找到波源方向,提升訊號的靈敏度成為了當務之急。而若要提升 PTA 的靈敏度,最主要的方式有兩種——其一是將更多的脈衝星加入陣列;其二則是延長觀測的時間。

目前,不同的 PTA 團隊已經組成國際脈衝星計時陣列(International PTA)互相分享彼此的脈衝星觀測資料。隨著觀測技術的進步,解密這些奈赫茲級別的神祕重力波將指日可待。

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註解

  1. 相較於過往只能以可見光觀測宇宙,多信使天文學能利用多種探測訊號,如電磁波、微中子、重力波、宇宙射線等工具探索宇宙現象,獲得更多不同資訊及宇宙更細微的面貌。
  2. 質量較重的恆星在演化到末期、發生超新星爆炸(supernova)後,就有可能成為中子星。

延伸閱讀

  1. 林俊鈺(2016)。發現重力波!,科學月刊556,248–249。
  2. 金升光(2017)。重力波獨白落幕 多角觀測閃亮登場,科學月刊576,892–893。
  3. NANOgrav. (Jun 28 2023). Scientists use Exotic Stars to Tune into Hum from Cosmic Symphony. NANOgrav.
  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 10 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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科學月刊_96
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