本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位

• 採訪編輯／郭雅欣，美術編輯／林洵安

若說起近年科普界最火紅的關鍵字，絕對少不了「重力波」。重力波爆紅的原因，無非是位於美國的雷射干涉儀重力波觀測站 (LIGO) 在 2015 年首度觀察到來自一場黑洞合併事件引起的重力波，並於 2017 年獲得諾貝爾物理獎的肯定。重力波到底是什麼？和黑洞又有什麼關係？2019 年中研院院區開放日，中研院物理所吳建宏研究員的精彩演講「利用重力波探測宇宙黑洞」，要跟大家聊聊重力波大小事。

重力像水波？

宇宙萬物之間都有重力，比如說，地球是因為具有重力，才能把我們「吸」在地表上；太陽是因為具有重力，才能讓八大行星不斷繞著它公轉。

不過，愛因斯坦的廣義相對論中，認為重力是來自空間的扭曲，質量愈大的物體，周圍的空間就扭曲的愈厲害。而當物體加速度前進時，則會使空間的扭曲發生變化、產生「漣漪」，這就是「重力波」。

吳建宏形容：「就像水中的漣漪那樣，水波是依賴著水而存在，重力波則是依賴著空間而存在。」

既然宇宙中有那麼多天體，而且質量大的也不少，可以想像我們所處的「空間」到處都是重力波，一點也不平滑，反而可能像處處水波蕩漾的大池塘，真是顛覆直覺！

既然重力波到處都是，為什麼在愛因斯坦 1916 年提出重力波之後，我們相隔了約一百年，才終於透過 LIGO 找到了它存在的證據呢？

因為重力波能引起的「波動」非常的小，科學家估計即使是劇烈的天體合併事件，能引起的重力波所造成的空間擾動，傳遞到地球時，數量級也頂多只有 10^-12 比 1，換算下來，一個一公里長的物體，因為重力波而造成的改變量只有千分之一個原子核直徑那麼長而已，也難怪愛因斯坦在提出重力波之後，曾說過「我們可能永遠測量不到重力波的存在。」不過，幸好如此，我們才不會感覺自己一下子變矮、一下子又變胖，對吧？

儘管連愛因斯坦都沒把握測得到，但不要小看科學家的鬥志。既然波動很小，我們就設計超級精密的儀器來測量它！在科學家大無畏的精神下製造出的 LIGO ，精確度數量級硬是高達了 10^-22 ！

在愛因斯坦提出重力波的一百年後，我們終於找到了重力波存在的證據。

LIGO 的完美 L

科學家是怎麼做到的呢？答案就在 LIGO 超特別的設計裡。LIGO 包含了一組相互垂直、呈 L 形的兩根管子，每根管子的長度都是四公里。

一開始，從交角處出發的雷射光，會被分光鏡分成兩道，各自沿著兩根管子前進，再由管末的反射鏡反射回來。雷射光來回反射四百趟之後，會在交角處會合並互相干涉。

在沒有重力波的情況下，從兩根管子回來的雷射光走的路程長度完全相同，在干涉過程中會彼此抵消，不會產生訊號。

但如果重力波引起空間扭曲，就可能對兩根管子的長度產生影響，拉伸或壓縮了一點點，兩道雷射光的光程就會有些微不一樣，回到交角處時的相位也會有一點點差異，這一點點的差異就足以讓 LIGO 精密的干涉儀器產生干涉訊號，讓科學家知道：「嘿！剛剛有重力波經過這裡！」

換言之，儘管重力波能產生的空間擾動超級小，但 LIGO 把雷射光的光程拉得超級長，盡可能把重力波造成的空間擾動放大到可觀測的程度，然後等待足夠大的重力波來臨時，就是我們窺探它的好機會。

看見了！黑洞在合併

當然，儘管我們用 LIGO 這樣的儀器做了萬全的準備，要看到「足夠大」的重力波，還得有天時地利的幫助才行。

重力波雖然可以穿透萬物，不像光一樣容易被擋住，但若波源太遠，波的強度還是會隨著距離逐漸減弱，所以得有一個距離地球不太遠，又能產生明顯重力波的波源才行。

此外，要產生重力波，需要天體系統在旋轉時的「輪廓」產生變化，也就是這個系統本身的外觀愈不對稱愈好。

如果是一個球狀對稱的天體在自轉，或者天體很平均的向內塌縮，是不會產生重力波的。反過來說，一個雙星系統彼此繞行最後合併的過程，由於雙星位置一直變換，整個系統的不對稱性高，因此產生的重力波就會比較明顯，所帶出的能量也會比較大，相對容易觀測。

既然如此，最可能產生重力波的事件，就莫過於「黑洞合併」及「中子星合併」了。以下是以電腦模擬兩個黑洞合併事件以及在過程中發出的重力波。

黑洞和中子星都可以是恆星老年死亡後塌縮下的產物。恆星倚賴核心的物質進行核融合反應，來抵抗自身重力，一旦邁入老年，內部的核融合燃料漸漸減少，就會抵抗不了重力，整個球體往內塌縮成更小的球體。

如果恆星的質量夠大，最後會在一場「超新星爆炸」後，留下中子星，其中所有的電子、質子都被重力壓縮合併成中子，可以想見重力有多麼巨大！如果要形成黑洞，需要的重力又比中子星的更巨大，連中子都被壓縮，形成一個密度無限大的「奇異點」，位於黑洞中心，它是一個以目前的物理還無法解釋到底是什麼的「點」。

黑洞與中子星是宇宙中密度最大及次大的天體，如果彼此互繞又合併，放出的重力波一定有機會看得到。

果不其然，2015 年 9 月，LIGO 團隊首度偵測到的重力波，訊號就來自距離地球約 13 億光年的一次黑洞合併事件，兩個黑洞的質量分別約為 36 倍太陽質量和 29 倍太陽質量。這個結果讓全世界的物理學家都震驚了，因為這是重力波真正存在的第一個鐵證！

接下來的兩年內，LIGO 及 VIRGO 又陸續觀測到三次黑洞合併事件引起的重力波，還在 2017 年 8 月首次觀測到由中子星合併事件引起的重力波！由於中子星會放出可見光，科學家利用其他望遠鏡對這次的合併事件的觀察結果，也得到許多珍貴的新發現，例如重金屬元素的形成。

LIGO 與 VIRGO 並非世界上僅有的重力波探測計畫。科學家會利用分布世界各地的無線電波望遠鏡，組成波霎定時陣列 (PTA)，由於波霎就像極為精準的燈塔一樣，隔著固定的時間間距放出無線電波，因此，如果波霎受到重力波的影響，導致放出的無線電波傳遞到地球的距離有了一點點改變，就會使它來到地球的時間提早或延遲一點點，科學家可以透過觀察這個微小的時間差來搜尋重力波。

另一方面，歐洲太空總署預計在 2030 年發射「雷射干涉儀太空天線」 (LISA)，包含三個太空船，彼此相距 250 萬公里，利用和 LIGO 類似的設計，從彼此間傳遞的雷射光干涉結果來尋找重力波。

這幾個重力波探測計畫針對的重力波頻率各有不同，因此可以找到不同的重力波源，重力波的頻率愈低，愈可能是質量愈大的黑洞或中子星合併事件，因為系統所占空間愈大，彼此繞行一圈要花的時間也愈久，放出重力波的周期也跟著愈長。

重力波：探索天文的新神器

在探尋重力波的路途上，黑洞扮演著重要的角色，宇宙中的黑洞合併事件讓我們有了窺探重力波的機會。反過來，在科學家證實重力波的存在，並且一次次探測到重力波之後，也準備利用重力波來研究天文，這是因為重力波在傳遞過程中，不會受到任何物體的干擾，不像光或粒子容易被擋住，所以重力波可以將波源的訊息，例如合併事件中的黑洞質量及自旋，完整的傳遞出來。因此，重力波是研究黑洞、甚至是其他天文課題的好工具。

在我們千辛萬苦找到重力波之後，重力波反轉角色，從被觀察的對象，變成研究天文的好工具。

舉例來說，從重力波的觀測，我們看到了許多雙黑洞合併的事件，這或許可以對於「超大質量黑洞」起源提供佐證。

多數黑洞的質量落在幾十個太陽質量的範圍，通常是恆星死亡所造成，然而宇宙中有許多質量比這大很多的超大質量黑洞，例如銀河系中心的黑洞有 400 萬倍太陽質量，前陣子由中研院天文所拍攝到首張黑洞照片的主角 ── M87 星系中心的黑洞，更是高達 65 億倍太陽質量。

這些大得讓人無法想像的黑洞，起源一直令人好奇。目前主流認為，它們是由普通黑洞彼此不斷合併而逐漸形成的。

另一方面，重力波也可望在吳建宏目前所研究的「太初黑洞」(primordial black holes) 課題上，提供重要的協助。

太初黑洞最早是 1970 年代由霍金所提出，指的是宇宙剛剛形成時產生的黑洞。當時宇宙還沒有任何天體形成，只有一些物質分布，有些地方分布得比較緻密，就可能塌縮產生黑洞。

這些太初黑洞和目前所知的黑洞不太一樣，質量可以非常的小，只有 1012 公斤，大約是地球上一座冰山的質量。因為黑洞會不斷放出輻射而蒸發，這麼小的黑洞，蒸發速度很快，如今應該幾乎都消失了。

那麼，重力波如何能幫忙找到太初黑洞呢？關鍵是：太初黑洞是早期宇宙中物質分布比較緻密的地方，在形成時物質的分布是不對稱的。如前面所說，不對稱的系統會放出重力波。

儘管這些小小的黑洞可能都蒸發消失了，但曾經發出的重力波不會消失。如果太初黑洞數量夠多，產生的重力波疊加起來，我們應該有機會觀察得到。換句話說，重力波能夠為太初黑洞的存在與否提供佐證。

太初黑洞可能很迷你，卻留下了永遠不會被抹滅的重力波訊號。

總之，重力波的研究才剛剛開始，但物理學家們都非常看好，引頸期盼它能帶來更多驚喜！

本文轉載自中央研究院研之有物，原文為〈重力波，I got you！那場黑洞合併事件出賣你了〉泛科學為宣傳推廣執行單位

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本文由海洋保育署廣告企劃，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 作者：採訪撰稿 ∕ 謝育哲 ∕ 本刊主編

大海中美麗的珊瑚礁是許多海洋生物的棲地，但由於海洋環境汙染及氣候變遷等問題，珊瑚的生存不斷受到壓迫，珊瑚白化問題更是屢見不鮮。為了讓一般大眾也能保育珊瑚，由海科館陳麗淑博士等人團隊從澳洲引進的「珊瑚觀測」，用簡單色卡上的顏色與觀測珊瑚進行比對，就能評估該珊瑚的健康狀況。此外，海科館及海保署也進行更多的計畫與推廣，讓全民一起守護海底美麗的珊瑚。

海中有著形形色色的生物，如果要挑選出一種外觀最令人印象深刻的，肯定是色彩斑斕綺麗的珊瑚了！許多人常會誤認珊瑚是一種植物，但牠其實是不折不扣的動物。事實上，珊瑚是由許許多多的珊瑚蟲（coral polyps）所形成的群體。目前全世界共有 800 多種的珊瑚，而由珊瑚組成的珊瑚礁（coral reef）更是許多海洋魚類生存的家園。

但由於珊瑚生長速度極慢，每年僅增長約 10 公分，且十分脆弱，近年來又因氣候變遷與海洋汙染等問題，造成珊瑚的生存出現危機。因此，保護珊瑚人人有責，但身為一般人的我們又該如何保育這些美麗又珍貴的海洋生物呢？本次《科學月刊》專訪了國立海洋科技博物館（以下簡稱海科館）的研究員陳麗淑博士，看看有哪些保護珊瑚的方式，以及介紹從澳洲引進的珊瑚觀測（coral watch）方法吧！

珊瑚遇到了什麼危機？

關於珊瑚，我們最常聽到的是「珊瑚白化」（coral bleaching）。但珊瑚白化代表什麼？又是什麼造成了珊瑚白化呢？

由於珊瑚對於生存環境的溫度十分敏感，一般來說，對珊瑚而言最自在的水溫環境為 23～28℃，而生存的極限溫度範圍則為 18～32℃，若超過這個溫度區間，對珊瑚來說即為太冷或太熱的環境。陳麗淑表示，一但海水溫度超過 32℃，珊瑚就會出現白化現象。當然不是所有的珊瑚都會同時白化，各種珊瑚因生長速度不同，白化現象發生的情形也會有所差異。一般來說，生長速度較快的枝狀珊瑚比較容易白化，而團塊狀珊瑚則比較有抵抗力。

不過珊瑚到底是怎麼「變白」的？其實珊瑚白化詳細原因，是因為當環境溫度出現劇烈變化時，珊瑚內部的共生藻數量就會下降。由於共生藻是珊瑚繽紛色彩的來源，因此在珊瑚內部的共生藻數量多時，顏色就會飽滿鮮豔，而當共生藻離開珊瑚後，珊瑚的顏色便會越變越淡，最後白化，若後續沒有適當保護與處置，珊瑚就可能會因而死亡。所幸珊瑚白化並不是不可逆的，只要海水溫度回到適合珊瑚生存的溫度，珊瑚就會逐漸穿上牠美麗的彩衣，恢復原本繽紛的色彩。

過去臺灣周遭海域曾出現過多次珊瑚大量白化的現象，陳麗淑表示，珊瑚大規模的白化的情形主要集中發生在夏季，甚至在去（2020）年夏季就曾發生珊瑚大量白化的現象，由於當時的海水溫度偏高，且維持時間較長，使得臺灣各地出現珊瑚白化的情形。不過好消息是，根據調查，今（2021）年還未發生大規模的珊瑚白化，且時節已進入秋季，海水溫度下降，至少目前珊瑚不會面臨溫度升高的生存壓力。不過，陳麗淑也語重心長地提醒：「近年來海水溫度過高的發生頻率相較以往提高了不少。」令人擔心的是，若海水溫度升高頻繁，將可能嚴重衝擊珊瑚的生存。因此，我們必須想辦法保護珊瑚。

一般人該怎麼保護珊瑚？老嫗能解的「珊瑚觀測」

對一般大眾來說，並不是所有人都具備珊瑚的相關知識，對此，陳麗淑一直在思考該用什麼方法，才能讓沒有專業知識背景的大眾能參與保育珊瑚的活動呢？在公民科學領域中，有個名為「珊瑚礁體檢」（reef check）的珊瑚監測計畫。但由於珊瑚礁體檢的入門門檻較高，需要先經過一定時數的課程訓練，且所費不貲，因此這並不是一項適合所有人的方法。

這時陳麗淑想到了「珊瑚觀測」。事實上，珊瑚觀測約莫在 2009 年就已有人引進臺灣，但當時並未受到大量關注。直到 2018 年，陳麗淑帶領的團隊開始重新研究珊瑚觀測的方式，發現其背後的科學大有學問，也可簡化成任何人都能理解並運用的珊瑚監測方式。

珊瑚觀測主要是透過一張卡片，上頭有 4 種由淺至深的色調。陳麗淑表示，這些色調涵蓋了約 70～80％ 的珊瑚種類，即使無法囊括其他特殊顏色的珊瑚，但卡片上的設計對普通人來說已是綽綽有餘。而觀測方法也很簡單，任何人只要帶著這張卡片潛水至珊瑚旁，將卡片上的顏色與想觀察的珊瑚顏色進行比對與拍照即可。如果是前往水深 6 公尺以上的區域，則建議觀測時攜帶光源，以避免色差造成的誤判。前文有提到，珊瑚的顏色代表其內部共生藻早的數量，當共生藻數量越多，珊瑚顏色越深，也就代表越健康；反之，若顏色越淡則代表珊瑚的健康可能出現狀況了。

陳麗淑說明，珊瑚觀測背後的科學基礎十分紮實。這套由澳洲昆士蘭大學（The University of Queensland）學者馬歇爾（Justin Marshall）等人組成的團隊研發設計。團隊將珊瑚搬至實驗室中進行一系列實驗，觀察在各溫度區段中，不同溫度會如何影響珊瑚中的共生藻數量，並記錄珊瑚的顏色變化。在經過嚴謹的科學實驗後，馬歇爾團隊將其簡化並歸納成珊瑚觀測的色卡。陳麗淑表示，這套化繁為簡的觀測方式在經過推廣後，許多保育團體對於珊瑚觀測的接受度都非常高，能進而達到推廣珊瑚保育目的。

海洋公民科學知識報你知

※珊瑚觀測

珊瑚觀測是一項由澳洲昆士蘭大學學者所辦理的非營利全球珊瑚礁監測計畫，將珊瑚的顏色變化標準化後，製作成珊瑚健康色卡，提供一種簡單的方法用以評估珊瑚健康，並為 CoralWatch 的全球數據庫做出貢獻。大家可以使用這些色卡協助科學家收及數據，支持珊瑚礁監測工作。

另外，珊瑚觀察也透過與世界各地的志願者合作，包括了潛水中心、科學家、學校團體、遊客參與其中，讓大眾更加了解珊瑚礁白化、氣候變化對於珊瑚礁的影響。

保育珊瑚面臨哪些困境？

雖然保育珊瑚是許多人的共識，但過程中依然面臨到許多的挑戰及困難。目前最常見的是海洋垃圾問題。由於珊瑚本身不會移動，當海洋垃圾在海中漂浮時不慎卡在珊瑚上，若沒有人為協助清理，則非常有可能造成珊瑚死亡。

陳麗淑舉例說明，由於今年 5 月起爆發 2019 冠狀病毒疾病（COVID-19）的本土疫情，位於基隆的潮境公園也為了防疫而禁止一般人下水。但當研究人員下水觀察後發現，因為沒人下水協助清理海洋垃圾，許多卡在珊瑚上的垃圾無法被及時移除，發現的當下已有許多珊瑚出現白化現象，這些珊瑚後續花了約一個月才慢慢恢復正常。

對此，陳麗淑曾與中研院學者邵廣昭等人討論，若保育區都沒有人進入可能並不是件好事，尤其當海洋汙染嚴重，垃圾很多的情況下，都還是必須定期有人去協助清理。因此，保育區在人為管理的情況下或許才是保育珊瑚好方法。

你我都可以為珊瑚盡一份心力

我們還有什麼方法可以保護珊瑚呢？陳麗淑表示，如果你是一個會下水觀測的人，使用珊瑚觀測是個好選擇。無須再多帶任何設備，只要準備珊瑚觀測的卡片，攜帶相機與光源，就可以拍攝並記錄珊瑚的健康狀況。不過若是沒有相關潛水經驗或半路出家的遊客，反而可能在潛水的過程中不慎踢到或傷害珊瑚，因此潛水者必須要具備一定的潛水技術。

海洋保育署（以下簡稱海保署）為推廣友善珊瑚礁生態旅遊，提出「珊瑚礁區你該注意的 8 件事」，包含不踩踏、不揚沙、合格玩家、保持適當距離、使用海洋友善防曬、不餵魚、不吃珊瑚礁魚、減塑行動。

即便沒有下水，在岸上也有許多可以保護珊瑚的方法。舉例來說，在我們常用的防曬乳中，多數含有可能傷害珊瑚的成份，因此在選購時可以優先考慮「海洋友善防曬」。此外，由於珊瑚礁魚類可以協助清理珊瑚礁之中的藻類，讓珊瑚順利生長，我們應盡量避免食用珊瑚礁魚類。所以最重要的，是希望大家一起落實節能減碳，全球暖化是影響珊瑚生存的主要原因之一，若減碳能從個人做起，也是保育珊瑚的積極作為。

出書、展覽、辦活動 海科館邀你一起守護珊瑚

除了上述的個人保育行為外，海科館也辦理了一系列保育珊瑚計畫。陳麗淑表示，海科館的研究人員會定期前往珊瑚礁進行監測，還會前往各地宣傳及教導大家如何使用珊瑚觀測。

至於在珊瑚復育方面，海科館內也有養殖珊瑚，研究人員會把這些珊瑚移植到野外，或是使用不同的材質，測試珊瑚附著生長的情形等。未來希望透過這些方法，協助加速珊瑚的生長。

在教育方面，去年海科館與行政院環境保護署及科技部等單位，共同主辦的「2020 海洋公民科學家行動計畫」中，包含了「珊瑚保育監測」的主題。對此，海科館團隊舉辦了一系列的「針織珊瑚」活動。「針織珊瑚」主要是前往各地的小學，除了教導珊瑚的知識，以及倡導珊瑚保育外，讓小朋友們藉由織毛線的方式，訴說一則關於珊瑚的故事。每所國小的作品都有自己的主題，也讓小朋友在織毛線的過程中，思考珊瑚對於生態的重要性，從小扎根珊瑚保育知識。並在後續收集作品後，舉辦「陸上造礁 針織珊瑚計畫特展」。

此外，海科館也曾於 2019 年出版《珊瑚很有事：珊瑚保育×環境藝術×手作針織×珊瑚教案》一書，並榮獲第 44 屆金鼎獎。今年更在海科館官網建置「海科館悠遊數位海洋行動學堂懶人包」，整合科普電子書、電子繪本、數位課程學習平台、海洋知識、動畫學習、影片等。陳麗淑表示，透過這些教材與教案的持續推廣，希望能讓更多人利用這些資源，一起守護海洋中的美麗珊瑚。

海洋保育署與臺灣珊瑚保育

海保署於今年透過「臺灣珊瑚監測交流網絡建立與保育策略規劃」計畫，建立珊瑚監測與保育示範點，以及珊瑚監測交流網絡，選訂全臺灣共 32 個地點進行水下珊瑚礁調查。調查結果截至今年 9 月底，澎湖、恆春半島、東部、北部珊瑚覆蓋率多呈現穩定狀態，但小琉球珊瑚礁卻多數已衰退，可見除了受到全球暖化影響，不當的遊憩踩踏行為也對珊瑚礁造成嚴重衝擊。

此外，海保署也與行政院農業委員會水產試驗所共同合作，針對澎湖池東淺坪海域的棲地環境現況進行調查及珊瑚復育，增加棲地多樣性。截至今年 9 月底，珊瑚移植面積已達到 100 平方公尺，其中珊瑚礁魚類包含青嘴龍占（Lethrinus nebulosus）、鸚哥魚（Scaridae）、隆頭魚（Labridae）等也逐漸聚集在移植區域，豐富當地生態。

此外，有鑒於目前許多單位都在進行珊瑚保育及復育相關工作，海保署今年度與海生館合作成立珊瑚保育專案辦公室，除了作為各單位資料蒐集整合中心，提供數據科學家分析資料外，還能進一步轉化為資訊呈現給大眾，使珊瑚礁相關專家學者、單位，以及一般民眾等，都可藉由此互相交流，同時兼具諮詢、推廣功能，協助提供珊瑚保（復）育相關標準作業方式及技術指導。並設立臺灣珊瑚礁水質採樣點及進行水樣分析，了解水質狀態，以作為後續珊瑚復育棲地及規畫保育方式選擇的依據。

為了鼓勵更多在地民間團隊參與，海保署亦透過辦理「海洋保育在地守護計畫」，支持在地團體進行公民科學、清除珊瑚礁覆網及珊瑚復植，希望能夠結合在地生活方式及資源提出具體保育策略，發揮社會影響力，促進在地參與珊瑚保育及復育作業，並提高民眾對海洋保育的參與及投入。

從政策面、科學面，再到行動面，海保署將持續呼籲全民共同守護臺灣珍貴的珊瑚資源。

海洋委員會海洋保育署正在舉辦 海有問題 我來分析 | 第一屆海洋公民科學家數據松！為臺灣周遭的海洋生態盡一份心力吧！

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