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新課綱即將起步!想增強核心素養,物理考題該怎麼出?

科學月刊_96
・2019/03/14 ・2755字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

  • 簡麗賢/北一女中物理教師

「十二年國民基本教育課程綱要」將在 2019 年 8 月 1 日正式上路,新課綱的核心素養揭櫫「系統思考與解決問題」與「符號運用與溝通表達」,在學習表現項目中強調「科學的態度與本質」,期望能培養學生應用科學思考與探究的能力。

新課綱重點:跳脫框架,加強思考與提問

筆者曾讀過一則印象深刻的幽默短文,聯合國出一道題目給全世界的小朋友回答:「對於其他國家糧食短缺的問題,請你提出自己的看法。」非洲的小朋友看完題目後,不知道什麼是「糧食」;拉丁美洲的小朋友不知道什麼是「請」;英國、法國的小朋友不知道什麼是「短缺」;美國的小朋友不知道什麼是「其他國家」;而臺灣的小朋友不知道的,是「自己的看法」。

雖然這只是一則網路短文,然而臺灣追求標準答案卻是不爭的事實。思考和探究是培養科學素養的二部曲;符合標準答案卻少了自己的看法,是新課綱教學值得省思的課題。

韓愈在〈進學解〉提到「行成於思,毀於隨。」《論語》則說:「學而不思則罔,思而不學則殆。」強調讀書和行動都要能思考,而不是跟隨別人。以高中物理課程教學為例,引導學生了解定律的內容及其侷限性、思考物理學家的理論與實驗或能探究生活中的現象,這些都比標準答案更重要。

儘管十二年國教的必修時數減少,教師教學時,仍需引導學生澄清物理概念,鼓勵學生多思考多提問。從思考和提問中解惑,學得更多,更能建立深厚的科學概念。

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適當融入趣味題材,激發學習創意

若在考題和學習過程中,可以增加有趣的題材,也能挑起學習的興趣。圖/pixabay

筆者在課堂教學中,常以提問引起學生學習的動機,融入升學考試的題目轉化成問題,刺激學生思考。此外,也藉此同樣的主題,引導學生提出疑惑,呼應新課綱溝通互動的核心素養面向。以 108 學年度學測試題為例,修改後成為教師提問與學生思考的素材:

某科幻小說中的情境曾提及,月球公轉方向與現在相反,但公轉速率不變。如果此情境為真,其他影響潮汐變化的因素亦不改變。回答下列問題:

  1. 月亮會自西方升起,東方落下嗎?
  2. 月亮每天會提早約50分鐘出現嗎?潮汐的時間是否也改變呢?

回答以上問題,必須具備地球自轉、月球繞行地球公轉和牛頓萬有引力的概念。潮汐是地球受到太陽及月球的重力與地球、月球間運動的交互作用造成引潮力的結果,因月球距離地球較太陽距離地球近,因此潮汐變化受月球引力的影響較大。月球從地平線東方升起,西方落下是地球自轉造成的現象,與月球公轉方向無關,故月球仍然從地平線東方升起,西方落下。月球繞地球公轉方向與地球自轉相同,潮汐變化時間與月球位置有關。

依據高中教材,月球公轉地球 1 圈 360 度,以朔望月 29.5 天計算,月球公轉 1 圈後,因地球同時自轉,月球出現在天頂位置時會比前一天延遲大約 360÷29.5÷360×24×60=48.81 分鐘,也就是翌日的月升月落和滿潮時刻都會比前一天延遲約 50 分鐘。若其他影響潮汐變化的因素都不變,而月球公轉地球的方向相反,則月升月落及潮汐現象變成每日提早 50 分鐘。

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儘管這是科幻小說出現的情節,卻是延深思考和科學推理的提問素材,引導學生思考和畫圖,提出自己的看法,培養科學素養。

加入生活情境,文字、圖像輔助答題

又如 108 學年度學測的題組題,亦是教師提問的好題材:

一座水庫的蓄水量與從壩底算起的水位關係如表所列,水位 250 公尺時為滿水位。在滿水位下方 120 公尺處,設置壓力水管將水引入發電機,進行水力發電,發電機位於滿水位下方 160 公尺處,如圖所示,且越接近壩底,水壩的厚度越厚。(重力加速度 g 為 10 m∕s2,水的密度為 1.0 g∕cm3

水庫水位與蓄水量

  1. 依據圖中所示的水力發電設計,就能量轉換的觀點是哪些能量形式的轉換?
  2. 滿水位時,水庫水面的面積最接近多少百萬平方公尺?
  3. 已知發電廠設計的水流量為 30 m3∕s ,若本發電裝置僅可將水力所提供能量的轉換為電能,且水庫在維持滿水位情況下發電,則本發電廠的最大發電功率約為多少 MW?

回答上述的提問,必須根據能量形式、水的密度單位轉換、功率定義及力學能守恆的先備知識。

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  1. 第一小題的參考答案為水的重力位能轉換成動能,再轉換成電能。
  2. 第二小題討論滿水位時,水庫水面的面積最接近多少百萬平方公尺,關鍵詞有滿水位、水面的面積最接近等。且提供的數據中,水位自 245 公尺升高至滿水位 250 公尺,水位差 ΔH=250-245=5 公尺,水量差ΔM=1264-1217=47 百萬立方公尺,故水面的面積最接近 A=△M∕△H=47∕5=9.4 百萬平方公尺。
  3. 第三小題討論發電廠設計的水流量再維持滿水位時,發電裝置僅可將水力提供的能量進行 25%轉換,同時要注意題目的最大發電功率約為多少。上述的關鍵句若僅聚焦高中生學測命題範圍內的力學能守恆,可說明如下:最大發電功率發生在滿水位時,水流量為 30 m3∕s,重力位能完全轉換後的 25%轉換成電能。依據題意知道,重力加速度 g 為 10 m∕s2為 1.0 g∕cm3水的密度換算單位為 1.0×10-3∕10-6=103 kg∕m3,且題目又說明水流量為 30 m3∕s,相當於每一秒水的質量為 m=體積×密度= 30 m3∕s×103 kg∕m3=3.0×104 kg。滿水位至發電機位置的高度差 Δh 為圖中的 160 公尺,每一秒水的重力位能變化 ΔU=mgΔh=3.0×104×10×160 焦耳,故轉換成電能僅 25%轉換,功率為 3.0×104×10×160×25%=12×10瓦特,亦即12 百萬瓦特(MW)。

上述說明是升學考試命題範圍內的高中課程內容,僅為閱卷需要的參考答案作考量,或許學生或物理教師會有不同的想法。就命題設計而言,應是呼應素養命題原則,素材引用生活情境,命題設計情境化,評量考生的整合運用能力,考察考生是否能夠整合運用知識,綜合閱讀理解、邏輯推論與圖表判讀等能力。

就考生回答問題的困難度而言,推測回答第二題時,可能直接引用表格最後一格數據,以水量和水位的數據相除,得到滿水位時的水面表面積,這樣的直觀不算合理,因為水庫並不是立方體或圓柱體,而且越接近水庫底部壓力越強,水壩結構需越厚。思考題意,看到「滿水位」的關鍵詞句,合理觀點應看表格最後 2 格的數據,再以水量差除以水位差得到最合理答案。

第三題可能困在「發電廠的最大發電功率」的定義以及水的密度如何換算。考生很可能採用 120 公尺和 160 公尺的數據,以兩者數據差代入 ΔU=mgΔh,並且乘以 25%得到 3 MW,卻不是正確答案。若單純依據力學能守恆,最大發電功率是重力位能完全轉換後,乘以 25%後得 12 MW,即找到答案。

上述命題和參考答案,畢竟侷限於升學考試題目;然而引入教學思考與提問,或許可以聽到學生多元想法和見解,針對學生的疑惑、盲點和迷思,甚至獨特看法,都可能激盪出更多的教學思維。從學測試題找出思考與提問的素材,是教師教學的可行方向。

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〈本文轉載自《科學月刊》2019年3月號〉

一個在資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫的科普雜誌。

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非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

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停工即停薪:如何證明你的時間值多少?車禍背後的認知 x 情緒 x 金錢 x 法律大混戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/01/09 ・3286字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與 PAMO車禍線上律師 合作,泛科學企劃執行

走在台灣的街頭,你是否發現馬路變得越來越「急躁」?滿街穿梭的外送員、分秒必爭的多元計程車,為了拚單量與獎金,每個人都在跟時間賽跑 。與此同時,拜經濟發展所賜,路上的豪車也變多了 。

這場關於速度與金錢的博弈,讓車禍不再只是一場意外,更是一場複雜的經濟算計。PAMO 車禍線上律師施尚宏律師在接受《思想實驗室 video podcast》訪談時指出,我們正處於一個交通生態的轉折點,當「把車當生財工具」的職業駕駛,撞上了「將車視為珍貴資產」的豪車車主,傳統的理賠邏輯往往會失靈 。

在「停工即停薪」(有跑才有錢,沒跑就沒收入)的零工經濟時代,如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?又該如何在保險無法覆蓋的灰色地帶中全身而退?

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如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?/ 圖片來源: Nano Banana

薪資證明的難題:零工經濟者的「隱形損失」

過去處理車禍理賠,邏輯相對單純:拿出公司的薪資單或扣繳憑單,計算這幾個月的平均薪資,就能算出因傷停工的「薪資損失」。

但在零工經濟時代,這套邏輯卡關了!施尚宏律師指出,許多外送員、自由接案者或是工地打工者,他們的收入往往是領現金,或者分散在多個不同的 App 平台中 。更麻煩的是,零工經濟的特性是「高度變動」,上個月可能拚了 7 萬,這個月休息可能只有 0 元,導致「平均收入」難以定義 。

這時候,律師的角色就不只是法條的背誦者,更像是一名「翻譯」。

施律師解釋「PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言。」 這包括將不同平台(如 Uber、台灣大車隊)的流水帳整合,或是找出過往的接單紀錄來證明當事人的「勞動能力」。即使當下沒有收入(例如學生開學期間),只要能證明過往的接單能力與紀錄,在談判桌上就有籌碼要求合理的「勞動力減損賠償 」。

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PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言 / 圖片來源: Nano Banana

300 萬張罰單背後的僥倖:你的直覺,正在害死你

根據警政署統計,台灣交通違規的第一名常年是「違規停車」,一年可以開出約 300 萬張罰單 。這龐大的數字背後,藏著兩個台灣駕駛人最容易誤判的「直覺陷阱」。

陷阱 A:我在紅線違停,人還在車上,沒撞到也要負責? 許多人認為:「我人就在車上,車子也沒動,甚至是熄火狀態。結果一台機車為了閃避我,自己操作不當摔倒了,這關我什麼事?」

施律師警告,這是一個致命的陷阱。「人在車上」或「車子沒動」在法律上並不是免死金牌 。法律看重的是「因果關係」。只要你的違停行為阻礙了視線或壓縮了車道,導致後方車輛必須閃避而發生事故,你就可能必須背負民事賠償責任,甚至揹上「過失傷害」的刑責 。 

數據會說話: 台灣每年約有 700 件車禍是直接因違規停車導致的 。這 300 萬張罰單背後的僥倖心態,其巨大的代價可能是人命。

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陷阱 B:變換車道沒擦撞,對方自己嚇到摔車也算我的? 另一個常年霸榜的肇事原因是「變換車道不當」 。如果你切換車道時,後方騎士因為嚇到而摔車,但你感覺車身「沒震動、沒碰撞」,能不能直接開走?

答案是:絕對不行。

施律師強調,車禍不以「碰撞」為前提 。只要你的駕駛行為與對方的事故有因果關係,你若直接離開現場,在法律上就構成了「肇事逃逸」。這是一條公訴罪,後果遠比你想像的嚴重。正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。

正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。/ 圖片來源: Nano Banana

保險不夠賠?豪車時代的「超額算計」

另一個現代駕駛的惡夢,是撞到豪車。這不僅是因為修車費貴,更因為衍生出的「代步費用」驚人。

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施律師舉例,過去撞到車,只要把車修好就沒事。但現在如果撞到一台 BMW 320,車主可能會主張修車的 8 天期間,他需要租一台同等級的 BMW 320 來代步 。以一天租金 4000 元計算,光是代步費就多了 3 萬多塊 。這時候,一般人會發現「全險」竟然不夠用。為什麼?

因為保險公司承擔的是「合理的賠償責任」,他們有內部的數據庫,只願意賠償一般行情的修車費或代步費 。但對方車主可能不這麼想,為了拿到這筆額外的錢,對方可能會採取「以刑逼民」的策略:提告過失傷害,利用刑事訴訟的壓力(背上前科的恐懼),迫使你自掏腰包補足保險公司不願賠償的差額 。

這就是為什麼在全險之外,駕駛人仍需要懂得談判策略,或考慮尋求律師協助,在保險公司與對方的漫天喊價之間,找到一個停損點 。

談判桌的最佳姿態:「溫柔而堅定」最有效?

除了有單據的財損,車禍中最難談判的往往是「精神慰撫金」。施律師直言,這在法律上沒有公式,甚至有點像「開獎」,高度依賴法官的自由心證 。

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雖然保險公司內部有一套簡單的算法(例如醫療費用的 2 到 5 倍),但到了法院,法官會考量雙方的社會地位、傷勢嚴重程度 。在缺乏標準公式的情況下,正確的「態度」能幫您起到加分效果。

施律師建議,在談判桌上最好的姿態是「溫柔而堅定」。有些人會試圖「扮窮」或「裝兇」,這通常會有反效果。特別是面對看過無數案件的保險理賠員,裝兇只會讓對方心裡想著:「進了法院我保證你一毛都拿不到,準備看你笑話」。

相反地,如果你能客氣地溝通,但手中握有完整的接單紀錄、醫療單據,清楚知道自己的底線與權益,這種「堅定」反而能讓談判對手買單,甚至在證明不足的情況下(如外送員的開學期間收入),更願意採信你的主張 。

車禍不只是一場意外,它是認知、情緒、金錢與法律邏輯的總和 。

在這個交通環境日益複雜的時代,無論你是為了生計奔波的職業駕駛,還是天天上路的通勤族,光靠保險或許已經不夠。大部分的車禍其實都是小案子,可能只是賠償 2000 元的輕微擦撞,或是責任不明的糾紛。為了這點錢,要花幾萬塊請律師打官司絕對「不划算」。但當事人往往會因為資訊落差,恐懼於「會不會被告肇逃?」、「會不會留案底?」、「賠償多少才合理?」而整夜睡不著覺 。

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PAMO看準了這個「焦慮商機」, 推出了一種顛覆傳統的解決方案——「年費 1200 元的訂閱制法律服務 」。

這就像是「法律界的 Netflix」或「汽車強制險」的概念。PAMO 的核心邏輯不是「代打」,而是「賦能」。不同於傳統律師收費高昂,PAMO 提倡的是「大腦武裝」,當車禍發生時,線上律師團提供策略,教你怎麼做筆錄、怎麼蒐證、怎麼判斷對方開價合不合理等。

施律師表示,他們的目標是讓客戶在面對不確定的風險時,背後有個軍師,能安心地睡個好覺 。平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。

平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。 / 圖片來源: Nano Banana

從違停的陷阱到訂閱制的解方,我們正處於交通與法律的轉型期。未來,挑戰將更加嚴峻。

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當 AI 與自駕車(Level 4/5)真正上路,一旦發生事故,責任主體將從「駕駛人」轉向「車廠」或「演算法系統」 。屆時,誰該負責?怎麼舉證?

但在那天來臨之前,面對馬路上的豪車、零工騎士與法律陷阱,你選擇相信運氣,還是相信策略? 先「武裝好自己的大腦」,或許才是現代駕駛人最明智的保險。

PAMO車禍線上律師官網:https://pse.is/8juv6k 

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NCC 公民培力課程 邀您一同打造數位時代的媒體素養
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/11/15 ・530字 ・閱讀時間約 1 分鐘

本文為 國家通訊傳播委員會廣告

國家通訊傳播委員會(NCC)因應數位匯流發展,為促進通訊傳播產業健全發展,保障消費者及尊重弱勢權益,持續推動「公民培力推廣計畫」,鼓勵廣電媒體及公民團體運用既有資源,協力推動全民媒體素養,以串連其影響力至閱聽眾端,並於今(112)年度規劃「認識媒體」、「防制假訊息」、「性別平權」及「公民新媒體內容產製」等議題,增進社會大眾對於通訊傳播產業的認識。

今年度藉由與廣電媒體、公民團體等合作,包括公視、法律白話文運動、正聲廣播、新聲廣播、鳳鳴廣播、陽明山電視和全聯電視等單位,於今(112)年 7 月至 12 月在北、中、南、東部地區舉辦 19 場媒體識讀活動,包括防制假訊息相聲演出、媒體素養營隊、參訪公視等,針對不同年齡層及族群設計互動課程,將媒體素養教育的種子向下扎根,提高全民媒體素養,打造更優質的社會環境。NCC 誠摯邀請銀髮族、兒少、身心障礙者、新住民及社會大眾一起參加,培養正確閱聽習慣及獨立思考能力,提升公民素養,進而創造更健全的媒體環境,報名方式及活動內容詳見活動網站

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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 ・3784字 ・閱讀時間約 7 分鐘

  • 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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