重力波GW170104再證愛因斯坦理論正確

才剛寫好一篇關於愛因斯坦廣義相對論的文章,美國的激光干涉重力波天文台(LIGO)又再發表論文,宣佈第三次探測到來自雙黑洞結合產生的重力波 GW170104。論文通過同儕審查,刊登在 Physical Review Letters

重力波是極大質量扭曲時空而產生的時空漣漪。根據廣義相對論,質量會令時空彎曲,這就是萬有引力的成因。如果極大質量以特定方式運動,其扭曲時空的效果就會形成波動,把能量以光速向外輻射開去。

與前兩次重力波 GW150914 和 GW151226 一樣,這次探測到的重力波來自雙黑洞結合系統,命名為 GW170104。兩個黑洞的質量分別為 31 和 19 太陽質量,它們互相環繞運動,越轉越快,最終碰撞結合成一個 49 太陽質量的黑洞。在此過程中,相等於約兩個太陽質量的能量的重力波會向四面八方輻射,比任何時刻宇宙中所有星系和恆星輻射的能量更高。

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X射線望遠鏡發現的黑洞大小(紫色)和 LIGO 發現的黑洞大小(藍色)。Image courtesy of LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

然而,比起 GW150914 和 GW151226,GW170104 的雙黑洞來自 30 億光年以外,是 GW150914 和 GW151226 距離的兩倍以上。而且,這次結合得出的黑洞質量正好介乎前兩次的數值之間,使物理學家確認 20 倍太陽質量的黑洞族群確實存在。在 LIGO 探測到重力波之前,根據 X 射線望遠鏡的觀測,我們從未發現過 20 倍或以上太陽質量的恆星質量黑洞(stellar-mass black hole)。

隨著 2018 年歐洲的 Virgo 探測器將開始運作、而且 LIGO 將再次升級,探測重力波的靈敏度將會再次提高。屆時,科學家或許能夠探測到期待已久、來自中子星雙星系統或中子星-黑洞系統的重力波。物理學家預測,涉及中子星的結合事件除了重力波外,亦會釋放出高能量的電磁輻射如 X 射線和伽瑪射線,稱為伽瑪射線暴。同時探測到來自同一系統的重力波和電磁波,可以提高探測的可信性外,也能幫助天體物理學家分辨各種星體模型,有助了解這些極端星體的物理和演化。

GW170104 還告訴了我們很多訊息。例如,這次結合的兩個黑洞,至少有一個的自轉並非與它們互繞的平面方向相同。換句話說,至少其中一個黑洞的自轉軸是傾斜了的,就好像地球的自轉與公轉平面之間有個夾角一樣。這個發現,顯示兩個黑洞可能並非於同一雙星系統中誕生,而是在誕生後才互相捕捉,形成雙黑洞系統。

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GW170104 的探測數據(灰色)、其小波分析結果(橙色)和雙黑洞電腦模擬結果(藍色)。上下分別為位於 Hanford, Washington 和 Livingston, Louisiana 兩座 LIGO 天文台的訊號。Abbott et al. (2017).

另外,研究員亦確認了愛因斯坦的重力波預言準備無誤。重力波與電磁波不同,不會發生色散現象。色散其實就是光線穿過介質後分開成各種顏色的現象,就如太陽光穿過雨後的水珠形成彩虹一樣。LIGO 沒有發現任何重力波發生色散的證據,愛因斯坦的廣義相對論又再下一城。

美國的 LIGO 團隊與歐洲的 Virgo 團隊合作,迄今已經探測到三個重力波和一個低可信性的疑似重力波。這兩個研究團隊人數過千,成員來自全球各地,也包括來自香港的研究員。作為研究伽瑪射線暴的天體物理學家,我期待探測到伴隨伽瑪射線暴的重力波,這將會是人類科學文明的極重要里程碑。

封面圖片:畫家想像的 GW170104 雙黑洞系統,圖中黑洞的自轉軸與互繞平面方向不同。Image courtesy of LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

延伸閲讀:

LIGO 論文:Abbott et al., “GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2”, Phys. Rev. Lett. 118, 221101

LIGO 官方新聞稿:GW170104 Press Release LIGO Detects Gravitational Waves for Third Time Results confirm new population of black holes

我以往關於重力波的文章:
重力波:愛因斯坦的最後預言 (上)
重力波:愛因斯坦的最後預言 (中)
重力波:愛因斯坦的最後預言 (下)
銀河消息:人類首次聆聽重力波
愛因斯坦教授 你是正確的
重力波:2016年邵逸夫天文學奬

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Categorized as 科普

By David Yu

David Yu is the father of Simba and an Astrophysicist. He obtained his PhD in Astrophysics from the Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, Germany. He was formerly a postdoc at the KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and is currently a lecturer at the University of Hong Kong. He served as the host of the RTHK TV31 programme Science Night, the Depute Editor-in-Chief of the Taiwanese Science Magazine Physics Bimonthly, and the Science Consultant of Stand News. The books he authored include Dr David’s 21 Mysteries of The Universe (2021), Space – A Down-to-Earth Astrophysicist (2021), Time – A Spacetime Journey of Astronomy and Physics (2019), and Secrets from the Stars (2017).

7 comments

  1. 你這個人真是很奇怪的, 一天到晩都只是把一個死人的說話掛在咀邊, 試問你將來會有什麽成就可言呢?
    你知道嗎? 愛因斯坦最錯的不是那些方程式, 而是他從來不會解釋原因(why?). 例如: 為什麽會有重力波呢? 究竟它是由甚麽產生出來的? 又例如: 運動中的物體為什麽會經歷較慢旳時間呢? 質量又為什麽會隨着速度而改變呢?
    解答不了上述的問題, 說誰的理論是正確的都只是自欺欺人罷了!

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  2. David Chan: 若你不是真人,請滾回你老家的洞。若你真的看不明,請謙虛一點,只要你真心求教,余海峰一定會答你。

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    1. tc? There’s indeed nothing you can learn from a non-physicist like him (look at his poor qualification and publication). But any ignorant person like you is just an exception. Keep on being fooled!!!

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  3. David Chan, 去除掉你用攻擊性粗鄙的語詞,你的問題其實值得討論,可惜,好好的疑問你用指責跟你沒過節的科學家,一個用心經營有內容深度博客的主人,其實不僅沒貶損他,反倒壓低了你自己。
    看你字字句句“look at his poor qualification and publication”,我猜想你大概也接觸物理科學一些,我不知道你發表過什麼樣子金碧輝煌的工作與理論,不過,我可以肯定的,你對什麼叫解答、解釋問題的基本觀念是非常缺乏的。比方說,我們隨便可以問個問題:那輛停在斜坡的車子會什麼會動?我們可以這樣“解釋”:因為有重力,而且它受到路面的摩擦力不夠。但這樣的”解釋“就會冒出更多“問題”:你如何知道車受重力?什麼是重力?為什麼重力會拉車子?(先暫且不問摩擦力)
    在我自問自答之前,我想知道你知不知道我寫這三個問題有順序的意義?
    第一個問題牛頓用他的運動學第二定律”解釋“,因為有”質量“的車子有了加速度;
    第二個問題牛頓藉克卜勒的貢獻告訴我們重力就是會讓有質量的物體們彼此吸引拉近距離的力;
    第三個問題牛頓答不出來,我不知道你知不知道是誰”解釋“了這個問題?
    但是這些回答會讓一個好奇的小孩再追問出更多問題:為什麼”力“會讓有質量的物體有加速度?力是種東西嗎?為什麼質量體之間會吸引?有沒有可能排斥?質量又是什麼?那個牛頓答不出的問題的“解釋”的原因是什麼?
    從這裡我們可以知道,第一,我們只是用暫時性可以接受的概念去“說明、描繪”解決問題的思想;第二、這樣的“暫時性可接受概念”總是使疑問不斷冒出。
    所以吳大猷博士很早以前就對有志物理研究的學生”警告“:別以為物理學家能真正地、根本地解釋萬事萬物運作的道理,說穿了我們只是用一堆可(暫時)理解的觀念疊床架屋地說明別的問題或概念。(非吳大猷博士的原話)
    但我們也要慶幸這些問題與我們以為對的“暫時性可接受概念”是永遠都解答不完,這樣我們永遠有待被追尋更透徹理解的目標,我們也可能對問題做更多改進。
    至於你提到的那幾個愛因斯坦不解釋原因的問題,我想你根本搞不懂他用哪些個“暫時性可接受概念”來去“描繪與預言“重力波、相對運動的座標系間相互觀察對方時間延遲現象,以及動質量大於靜質量等問題(你看,我還幫你精確描述現象問題)。看來,我要收回對你在物理科學認識上的高度評價。
    至於我個人對愛因斯坦最佩服的,卻正巧在於他提出方程式時還常犯錯(他真幸運不是生在現在),而且他勇於出錯並改正錯誤。能跟這位死人學到點方法、觀念與東西,是真正物理學者們才有幸得的到的資產。

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