天文學家宣布已直接觀測到重力波 _科學

科學家偵測到兩個黑洞相撞合并所產生的重力波（此處模擬），由于此一活動十分激烈，相撞的兩個黑洞互相吞噬對方的前一刻，釋放出的能量比宇宙其余部分加起來還要多。ILLUSTRATION BY SXS COLLABORATION

電腦模擬顯示，兩個相互環繞運行的巨大黑洞，釋放出重力波。ILLUSTRATION BY C. HENZE, NASA

LIGO團隊運用雷射和精密排列的鏡子，偵測出重力波造成的微小震動。
（報道）據美國國家地理（撰文：Nadia Drake）：人類尋找重力波(gravitational wave)將近一個世紀之后，終于獲得成功。在雷射和鏡子的協助下，科學家已直接觀測到重力波。
兩個相互環繞運行的黑洞，一個是太陽質量的36倍，另一個是太陽質量的29倍，高速相撞，釋放出重力波。
從大約13億光年之遙，這些重力波向外擴散，有如宇宙中的漣漪，在去年9月14日通過地球，在四組鏡子的距離上造成非常小、但可測量的改變－其中兩組鏡子在路易斯安那州，另外兩組在華盛頓州。
在兩個黑洞合并的最后一刻，它們釋放出的能量是宇宙所有銀河所有恒星釋放能量總和的50倍。
加州理工學院物理學家萊茲(David Reitze)在采訪人員會上宣布這項重大發現時表示：「這是宇宙首次以重力波與我們對話 ?！?br /> 對于監控「雷射干涉儀重力波天文臺」 (LIGO)的科學家而言，地球上收到的訊息像是鳥兒啁啾（chirp），先前預期將會伴隨兩個黑洞的死亡與合一而來。
「我們可以聽到重力波，我們可以聽到宇宙，」路易斯安那州立大學物理與天文學教授凱碧歐拉･岡薩雷茲(Gabriela Gonzalez)說 ?！肝覀儾粌H可以看到宇宙，現在還能用聽的。」
許多人認為，這項發現可望贏得諾貝爾獎。有關LIGO團隊這項重大發現的消息在社群媒體上流傳已久，就算沒有數月、也有數周的時間，不斷傳出即將會有正式的發布會。
經過數十年的計畫和戲劇性的政治事件之后， LIGO團隊在2002年首次嘗試偵測重力波；經過八年無聲無息之后，偵測器在2010年關閉，并且進一步隔離干擾噪音。
所以，當LIGO團隊進階觀測工作于去年9月18日再度展開時，科學家相當樂觀相信，他們可以找到某些東西。
命運的奇特轉折，他們已掌握到一次偵測。在正式觀測開始之前，偵測器已啟動和運行，并已獲得一項極度誘人的訊息。這項訊息先被路易斯安那州偵測器發現，千分之七秒后，華盛頓州也偵測到了。
「我們很有信心，當狀況來臨，一定是好的狀況。我們是否會驚訝狀況好到像是夢幻一般？當然會。我的反應是，哇。我真是難以置信 ?！谷R茲說。
當黑洞相撞
【天文學家宣布已直接觀測到重力波】運用愛因斯坦的方程式，科學家從可觀察波返回，回頭來決定何種天體物理活動造成重力波。在本案例中，這些方程式指出，兩個相撞的黑洞是元兇，并且當它們合并時，會形成一個新的黑洞，是太陽質量的60倍多。
黑洞由死亡和殞落的恒星組成，是已知宇宙中最為奇特的天體之一；如果你可以稱它們為「天體」 ?！敢话愫苋菀装押诙聪氤梢粓F物質，由于十分密集，以致它的引力捕捉一切靠得太近的東西，甚至是光。但是，要稱黑洞是『物質』或『天體』，倒不如稱它是強烈彎曲、無底空時的區域。因此，當兩個黑洞合并時，這活動決不普通 ?！?br /> 「有點像是彎曲空間的翻騰混亂，快速地變動中，」溫斯坦如此形容。
在LIGO團隊偵測到的相撞中，兩個黑洞慢慢地互相環繞運行，長達數百萬年或是數十億年之久。但是，隨著兩個黑洞愈來愈接近，它們的軌道速度加快，直到最后以大約光速的一半互相環繞運行，并釋放出巨大的能量，以扭曲空時的重力波形式呈現。
然后，兩個黑洞合并。在合并前的最后一刻，環繞運行的兩個黑洞釋放出更多的能量，比整個宇宙釋放所有形式的能量還要多。一旦合并完成，合并產生的新黑洞左右搖晃，隨即安定下來，進入所謂的鈴蕩(ring-down)階段，也就是安靜下來前的最后喘氣。
這是令人印象深刻的故事，由地球上鏡子之間的極小距離改變所揭露。
國家無線電天文臺（National Radio Astronomy Observatory）天文學家史考特･蘭森（Scott Ransom）表示﹕「數據看來令人十分驚異 ?！顾催^LIGO團隊的手稿，稿件并已刊登于《物理評論通訊》（Physical Review Letters）。「看到偵測器『原始』輸出中的波，沒有任何特殊的統計格式處理，超乎所有人的期待。」
LIGO團隊的科學家相信，信息是真的；事實上，他們計算過，誤報的機率每20萬年不會超過一次以上。對于團隊目前收集到的所有潛在重力波偵測，并不適用。團隊發現，至少還有一個候選信息，那是在去年10月12日偵測到的，是由合并的黑洞所產生，但科學家不敢斷言這不是誤報。
新紀元，外加其他搜尋
這次發現是科學家首次直接捕捉到重力波，并非首次證明重力波的存在。1974年，喬･泰勒（Joe Taylor）和羅素･赫爾斯（Russell Hulse）偵測到當時一種新的奇異天體﹕脈沖雙星，也就是兩顆中子星互相環繞運行。泰勒和赫爾斯確定，脈沖星的軌道收縮，并且了解唯一的原因就是重力波把能量帶離了系統。
這項發現證明了重力波的存在，泰勒和赫爾斯因此贏得1993年諾貝爾物理獎。
這里的差別在于LIGO團隊直接觀測到地球上的重力波，這項發現將為天文學開創新的紀元，協助天文學家更進一步窺探宇宙。
以重力波來觀看宇宙，可能類似科學家首次以紅外線、X光或微波觀看天空。數千年以來，天文學家以可見波波長觀看天空；人們可以看到恒星和行星，觀看它們在天際移動。但是紅外線宇宙充滿炙熱、含塵量高的星團，那里正是恒星誕生之地；X光宇宙可見恒星尸體；微波宇宙充滿大霹靂的熱遺跡。以重力波觀看天空，同樣將為天文學帶來革命性的影響。
身為普林斯頓大學天文物理學家的泰勒以黑洞為例指出，「電磁輻射并未讓我們如愿以償，這是研究宇宙中遠距天體和現象的新方法 ?！埂肝覀儜岩珊诙纯赡艽嬖?，我們已在銀河的中心看過黑洞的證據，如今我們將有直接偵測黑洞的方法，這和以往是很不一樣的。」
聆聽重力波
LIGO團隊觀測到，當兩個黑洞愈來愈接近，它們釋出重力波，頻率和振幅都增加，地球上收到的訊息像是鳥兒啁啾（chirp）。影片中最先的啁啾是重力波的頻率，接下來的啁啾頻率較高，比較適合人類的聽覺范圍。
不僅如此，在未來的數十年中，其他的實驗可能也會偵測重力波。其中一項名為「NANOGrav」，使用毫秒脈沖星－控制時間出奇精準－當作天然的重力波偵測器。隨著重力波穿越脈沖星，它們會短暫干擾脈沖星轉動的時機，因而留下證據記號，可在天際上追蹤。
LIGO團隊關注恒星質量激變所產生的重力波，和LIGO團隊不一樣的是，這些脈沖星轉動時機排列，將可偵測盤旋上升的超大質量黑洞所產生的更長漣漪現象。
另一個倡議中的實驗是發射重力波觀測器eLISA進入太空，屆時將對所有天體物理系統產生的波保持敏銳。然后，也有團隊志在尋找原始重力波，那是宇宙初期快速擴張時所產生的。2014年，BICEP2團隊宣布發現這些重力波，但訊息后來證明不確實。
重力波天文學要成為主流還要一陣子。但是，如果成真，迄今仍停留在數學范疇的這些極端、看不見的宇宙活動，將會進入可觀察的領域，平添全新的謎團，留待人類去解決。