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關於太初重力波你不能不知的18件事

活躍星系核_96
・2014/03/19 ・4848字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

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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

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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]

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  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_96
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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。 Email: contact@pansci.asia

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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

  • 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〉
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太空種電?不受天氣影響的發電廠登場,人類將迎來能源自由?
PanSci_96
・2023/08/12 ・4585字 ・閱讀時間約 9 分鐘

要核能、綠能、還是天然氣?大家不用吵了,因為讓我隆重介紹,宇宙太陽能準備登場,地球將進入能源自由,人類文明將邁入下一個時代!

雖然只是邁入第一步,但我沒有在開玩笑,美國、日本、歐盟、英國都陸續展開宇宙太陽能計畫,預計在太空中布下大量太陽能板,將取之不盡的能量,不分晝夜、不分天氣地將能量源源不絕的傳回地球。而且第一階段的測試,已經在宇宙中測試成功了!

宇宙太陽能真的可行嗎?我們離能源自由,還有多遠?

為什麼要去太空中進行太陽能發電?地面太陽能的困境

台灣要選擇哪種能源配比,各方論點各有道理。而同樣的問題,不只是台灣,對世界各國來說都是爭論不休的議題。面對這樣的困境,竟然有人提議往太空探索,去太空中進行大規模太陽能發電,並將能量傳回地球,成為宇宙太陽能電廠,一舉解決所有能源問題。可是就算不去太空,在地面上的太陽能近年來成長迅速,安裝量和產量都持續增加,為什麼非得跑到太空中去做一樣的事呢?

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雖然太陽能板的設置成本近年來降低很多,能不能穩定發電卻要看老天臉色,而且需要的佔地面積廣大。世界上只有少數幅員廣大,日照充足的國家可以打造 GW 等級的太陽能發電廠,像是印度,中國,以及中東地區。許多地方例如台灣,多以民間業者小規模發展為主,很難建設大規模的太陽能發電廠,如果要大規模使用農地、魚塭、屋頂種電,也有許多問題等待解決。

不過只要把太陽能搬到外太空,就可以大喊:「解開束縛、重生吧!太陽能,我還你原型!」

首先,太空中可以接收到更多的陽光。由於太空中沒有夜晚,所以軌道上的衛星幾乎可以 24 小時暴露在陽光之下。此外,太空中的陽光不會像地面上的冬天或傍晚,有傾斜入射的問題。太陽能板可以隨時指向太陽的方向,和太陽光的方向保持垂直,接受百分之百的陽光照射。根據計算,同一塊太陽能板放在太空中可以接受到的陽光量至少是地表的三倍以上。

地球上陽光傾斜入射的問題示意圖。圖/PanSci YouTube

另外,地球的大氣其實幫我們阻隔了許多陽光,保護地表上的我們不會被瞬間曬傷。就算是晴朗無雲的日子,大氣層還是會散射掉許多的陽光。太空中的太陽輻射比地表強上不少,大約多了 40% 左右。

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綜合前面所說的,只要把現有的光電材料放到衛星軌道上,就可以輕鬆獲得約四倍的發電量。此外還不需要任何占地,不會對環境生態帶來負面影響。

太空種出的電要怎麼運回地球?

你可能會好奇,在太空中收穫這麼多太陽能,要怎麼運回地球給大家使用呢?難道要存在電池裡再回收嗎?科幻大師艾西莫夫早在 1941 年就想過這個問題了。在他的短篇小說《理性》中,各個太空站會再收集太陽能之後,用微波光束將能量傳送至不同行星,也就是遠距無線傳輸能量。

雖然這種技術在當時屬於科幻情節,但現在的我們知道這樣的技術在原理上可能辦到的。在我們介紹無線獵能手環那集,我們有提到電磁波傳遞能量的問題,就是能量會以波源為中心向外發散,並且能量隨著距離快速衰減。想要高效率傳輸能量,如果不想接條線,就必須使用指向性的波源,將能源都集中到一點。

現在,我們使用多個天線組成陣列,並調整他們的相位,讓各個天線發出的微波產生干涉,形成筆直前進的單方向微波束,將能量精準發射到遠處的一個點。除此之外,因為選擇的電磁波頻段是微波,就像手機訊號可以穿過牆壁到你的手機一樣,特定頻率的微波也能穿透大氣層或雲層的阻擋。即使地球上的我們是下雨天,宇宙太陽能仍能透過微波將能量傳至地表,大幅降低天氣造成的影響。

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所以,只要把所有太陽能板發射到地球同步軌道上,讓它們在軌道中展開,組裝成大還要更大,邊長長達數公里的超大太陽能板。這樣空中太陽能發電廠就會一直維持在天空中的某一點,地面的我們,只要蓋個微波接收站就可以了。當然要將所有設備發射到地球同步軌道上所費不貲,較可行的做法是先用火箭將衛星射入高度較低的低地球軌道中,再利用衛星本身的離子噴射等方式把自己慢慢推到地球同步軌道。

太空太陽能發電廠概念圖。圖/Space.com

這個主意,在 1968 年工程師 Peter Glaser 就在 Science 期刊上提出,還向美國政府申請了專利。當時,美國能源局和 NASA 也覺得這個概念挺「有趣」的,針對宇宙太陽能做了一系列的調查並提出了正式的可行性報告。不過當時各方面的技術未成熟,無法進行測試。最重要的是,要把一整個太陽能發電廠射到太空,實在要花太多錢,產出的電根本就不敷成本。

好消息是,太空運輸成本近年來已經降低很多。SpaceX 的獵鷹九號火箭將每公斤物質運到低地球軌道的成本,只需要約三千美元,是過去使用太空梭運載的二十分之一。這讓宇宙太陽能的可能性,從僅只於科幻,搖身一變成為潛力無窮的未來能源。

宇宙太陽能離我們有多遠?

從美國、英國、歐盟到日本,都已經放話要加入這場全新的太空能源競賽。領跑者之一是日本的太空機構,宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組,是有生之年就能看到的成果!

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從宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組。圖/PanSci YouTube

這個時程也不是信口開河,日本在 1980 年代左右便開啟了宇宙太陽能計畫。經過數十年的規劃與研發, JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。這個實驗相當重要,因為在發射成本的問題解決之後,宇宙太陽能要面對的下一個難題,就是如何有效地從外太空軌道遠距送電。雖然我們已經知道可以透過干涉的方法,讓微波束直線前進,但實際運作時,還是會有一個很小的發散角,不會完全平行。

JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。圖/PanSci YouTube

失之毫釐。差之千里。地球同步軌道離地表可是有三萬六千公里,小小的發散角到地面就會嚴重發散,地面的接收天線尺寸也不可能無限擴張。這任務的難度差不多等於要從操場的一端用雷射筆打到另一端的蚊子,非常困難。JAXA 的天線雖然目前還未達到需要的準度,但是發散角已經能控制在 0.15 度左右,足以從較低的低地球軌道傳輸能量回地球,做初步的測試。

從還處在規劃階段的日本,瞬間移動到地球的另一端,美國的研究團隊,在這個月已經宣布取得重大突破。加州理工學院的宇宙太陽能計畫在今年初,成功讓一個小型測試模組,乘著 SpaceX 的獵鷹 9 號前進低地球軌道,進行太空中的實際測試。這個小型模組包含三個小實驗。第一個實驗是測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。第二個實驗則是要在 32 種不同的光電材料中,找出哪種在太空中效果最好。第三則是要測試微波傳輸能量在太空中的可行性。

測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。圖/caltech.edu

就在今年的 6 月 1 號,團隊宣布他們設計的可彎曲天線陣列,在太空中成功傳送能量到三十公分外的接收天線,點亮了 LED 燈。雖然距離只有短短的 30 公分,但是整個實驗暴露在外太空的環境中進行,證明他們的設計可以承受最嚴苛的環境條件。做為測試,他們也嘗試讓天線發射能量到遠在地球表面,大學實驗室的屋頂上。並且,還真的被他們量測到了數值。儘管規模不大,但這是宇宙太陽能第一次的軌道測試,結果相當振奮人心。

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可彎曲天線陣列。圖/PanSci YouTube
右方為可彎曲天線陣列(發射端),左邊為接收端的 LED 燈泡。圖/caltech.edu

如此看來,技術的發展似乎相當樂觀。可是要用於民生發電,成本是很大的重點。宇宙太陽能真的符合經濟效益嗎?或是我們該把資源留給其他選項呢?

宇宙發電廠符合經濟效益嗎?

根據美國能源情報署 EIA 的資料,1GW 發電容量的發電廠,傳統燃煤發電廠的初期建設成本,大約是一千億台幣,核電廠大約是兩千億台幣。那宇宙太陽能呢?每 1kW 的發電需要二十公斤的材料,1GW 就需要兩萬公噸。目前 SpaceX 獵鷹重型火箭運送每公斤材料進入軌道,需要三萬台幣。也就是說,光是將設備全部送上太空的運輸成本,就需要六千億的驚人花費。再加上太陽能板與相關設備的建置成本,以地面型太陽能發電廠為參考的話,大概還要多花500億台幣。而 JAXA 方面的預估,打造第一座 1GW 宇宙太陽能至少需要一兆兩千億日圓,雖然比我們用獵鷹重型火箭預估的還要低,但仍是一筆龐大費用。

各種發電方式的成本與性能表現。圖/美國能源情報署 EIA

那宇宙太陽能真的只是將鈔票往太空撒,空有理想的計畫嗎?當然不是,有兩個讓科學家不放棄的理由——首先是未來建造成本一定會下修。太空的發射成本相比 50 年前,已經少了兩個零,在 SpaceX 的發展下,還在持續地快速減少。另一方面,太陽能材料的輕量化工程也持續在進行,每 kW 發電重量只有十公斤或以下的太陽能材料已經不是虛構。新式的太陽能材料,我們未來也會陸續介紹。這兩個因素加乘在一起,一兆兩千億日圓的成本,很有機會在幾年內就減少為十分之一或更少。

發射火箭的成本逐年降低。圖/futuretimeline.net

更重要的是,宇宙太陽能一但建置完成,就會成為可做為基載能源的再生能源,減少對石化燃料的依賴。甚至因為主要設備都在太空,地面只需要建設接收站,可能將解決許多偏遠地區的能源問題,一舉改變全世界的能源型態。而且與許多八字還沒一撇的發電方式相比,宇宙太陽能已經算是距離現實很接近的選項,也難怪各個國家紛紛搶著要發展這塊領域。不過雖說是永續能源,還是有許多方面值得深入研究。例如要把幾萬公噸的材料射到軌道中,需要排放多少的火箭廢氣?一但規模化,這些巨大的宇宙太陽能板是否會成為小行星的標靶,或在一次的太陽風暴過後,讓軌道中堆滿太空垃圾?

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宇宙太陽能究竟能不能成為可靠的新興未來能源,從想都不敢想,到開始精算成本,相信我們很快就會知道答案。

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