0

0
0

文字

分享

0
0
0

重力波很難懂?簡單明瞭的重力波捕獲現場——科學超抖宅報

科學大抖宅_96
・2016/02/12 ・2614字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

太空,人類的終極邊疆。[1]

身在地球的我們,對於遠在宇宙其他角落的事情,要如何得知呢?除了像〈星際爭霸戰〉裡親自跑一趟之外,最簡單的方法,當然是從地球直接察看。很幸運地,許多的星體現象(如超新星)或天文事件(像雙中子星的碰撞),常常會產生電磁輻射。藉由簡單如肉眼、或是各種電磁波段的望遠鏡,我們便能發覺、甚至研究宇宙的奧妙。事實上,早在公元185年,人類就已有超新星(Supernova)的觀測紀錄

不過,很多時候上述手段並不適用、或者不見得能夠得到我們想要的資訊。

廣義相對論,二十世紀最知名物理學家亞伯特.愛因斯坦(Albert Einstein)的真知灼見,則提供了我們另一種可能的分析管道——重力波。

愛因斯坦認為,時間和空間並非獨立存在的;我們在空間中的運動,實際上也會影響到自己時間的流逝快慢[2]——時間和空間是一體的,合稱為時空(spacetime)。不僅如此,因為質量會產生重力,而當有質量的物體在時空中加速運動時,就像水面上航行的船隻泛起漣漪,重力的變化會以光速、類似波的形式向外傳播——我們稱之為重力波[3]

Credit: LIGO Lab
兩個互相環繞的重物產生時空的漣漪(Credit: LIGO Lab)

但是,重力波要如何偵測呢

試著想像:如果有一天,太陽不見了(先不管它是被某個宇宙大王消滅了還是怎麼樣),相應的重力波抵達地球時,我們會觀察到什麼現象呢?或許有人會說,此時地球應該有更嚴重的麻煩,但沒關係,基於科學家的求知慾,我們就是想在世界末日時測量重力波。[4]

回到水面漣漪的例子。假設有兩隻小蟲飄浮在水面上,當漣漪經過小蟲時,會發生什麼事呢?從日常生活經驗,我們知道小蟲會隨著水面的變化而起伏。即使它們從頭到尾沒有移動,兩隻小蟲的相對位置還是會因水面的波動而產生改變——這也是重力波通過地球時預期會發生的事情。當時空因為重力波而擾動,兩個靜止的物體間距應該會有些微的改變,我們便能依此原理設計實驗觀測。

雷射干涉重力波天文台的設施一瞥(圖片來源:Nature Photonics)
雷射干涉重力波天文台的設施一瞥(圖片來源:Nature Photonics

非常可惜的是,重力波的觀測相當不容易。即使是最猛烈的天文事件(例如一開始提到的超新星、或雙中子星等),其產生的重力波等到越過遼闊的宇宙抵達地球,對實驗裝置的空間距離造成的影響微乎其微,無論如何也比原子核的直徑要小千倍、萬倍,幾乎感覺不到它的存在;鄰近地球卻又沒有夠強力的重力波源(往另個方向想,對地球的生物或許是件好事,不用擔心極端天文現象的威脅)。這也是為什麼人類至今都尚未成功觀測到重力波。[5]

反過來說,若重力波很輕易就可以被觀測、甚至強到在我們日常生活中都能感覺到,那會發生什麼事?這下子,我們自己可就成了水面上的小蟲了:所在空間無處不搖晃、扭曲,把我們搞得七葷八素,比地震還恐怖——那將會是全星球的震動和變形。

然而!重力波偵測就在不久前(2016年2月11日,台灣時間晚上十一點半)有了新的突破性進展!雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,簡稱LIGO)正式宣佈從雙黑洞互相環繞進而碰撞、融合成新黑洞的系統觀測到其存在。

source:LIGO
LIGO團隊藉由雙黑洞系統觀測到重力波的存在(Credit: LIGO Lab)

在廣義相對論發表剛過一百週年的現在,令諸多物理學家魂牽夢縈的重力波終於向人類顯露出它的尾巴——這絕對是物理學界重要的里程碑。對於實驗細節有興趣的讀者,不妨閱讀徐一鴻(A. Zee)教授著作的《膨脹的宇宙——愛因斯坦的玩具》一書的第三章,或是科學月刊的好文

不過,為什麼觀測重力波如此重要

雖然愛因斯坦的廣義相對論已經獲得許多成功,但重力波的存在卻是最後一個尚未被直接證實的重要預言。也因此,對廣義相對論的驗證來說,這無疑是非常重要的。

除此之外,如開頭所提及的:很多時候,傳統的觀測方式並無法給予我們想要的資訊。例如,黑洞因為幾乎不會發光、而發出的光(稱為霍金輻射Hawking Radiation)又難以測量,使得黑洞成為無法用望遠鏡直接察看的天體典型。這種時候,重力波觀測就派得上用場。

又例如,宇宙誕生初期所產生的重力波,現在仍充斥在我們四周;若能從中分析,將可以幫助我們理解宇宙誕生的祕密

再者,雖然我們有廣義相對論能夠描述重力,但至今卻未能成功將重力與量子理論作統合。如果能夠觀測到重力波,對於重力的既有認知、抑或對發展更完備的重力理論,都會有所幫助。

無論如何,隨著重力波被觀測到,重力波天文學(Gravitational-wave astronomy)也將蓬勃發展,人類對於宇宙和重力的理解也將邁入嶄新的階段。對科學家而言,這一切都讓人興奮不已。就讓我們勇敢航向人類足跡從未踏至的領域吧![6]

星際爭霸戰電影裡的企業號(圖片來源)
星際爭霸戰電影裡的企業號(圖片來源

參考資料:

  • 1. 徐一鴻(A. Zee) (2006) 膨脹的宇宙——愛因斯坦的玩具

註釋:

  • [1] 著名科幻影集〈星際爭霸戰(Star Trek)〉的開頭旁白第一句。
  • [2] 此已經過實驗證實並廣泛運用在我們的日常生活中,例如衛星定位技術就利用了相對論進行計時的修正。
  • [3] 另一個類似的例子:在高中物理課我們曾學過,加速運動的帶電粒子會輻射電磁波;這與加速運動的具質量物體會輻射重力波非常相似。
  • [4] 小提醒:重力波是以光速傳遞的,所以我們並無法預知重力波的到來(除非有事物能超越光速通知我們),只能事先做好準備。
  • [5] 一些讀者或許有印象,在2014年曾有相當大篇幅的新聞報導,說明國外的研究團隊找到了重力波。只是很可惜地,根據愈來愈多的資料和分析結果,該發現最終無法提供具有足夠說服力的證據
  • [6] 著名科幻影集〈星際爭霸戰(Star Trek)〉的開頭旁白最後一句。在此也順便推薦台北天文館翻譯的易懂影片

數感宇宙探索課程,現正募資中!

相關標籤: 重力波
文章難易度
科學大抖宅_96
35 篇文章 ・ 840 位粉絲
在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/


0

28
6

文字

分享

0
28
6

極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


數感宇宙探索課程,現正募資中!

Tiger Hsiao_96
8 篇文章 ・ 15 位粉絲
現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。