看見伴隨重力波的光：愛因斯坦相對論再次撼動世界

2017 年 10 月 16 號，天文學家宣布已經探測到伴隨著電磁輻射的重力波。人類科學史將從此永遠改寫。

黑洞和重力波

重力波天文學的開創學者們已經獲得了科學界許多殊榮，包括獲頒 2016 年邵逸夫天文學奬的 Ronald Drever、Kip S. Thorne 與 Rainer Weiss，以及 2017 年諾貝爾物理學獎的 Rainer Weiss、Barry C. Barish 與 Kip S. Thorne。可惜的是，Ronald Drever 已經於 2017 年 3 月離世。

重力波是愛因斯坦於 1915 年發表的廣義相對論預言存在的物理現象。廣義相對論指出時空曲率造成重力，當兩個互相環繞轉動的質量扭曲時空，就會造成時空中的漣漪——重力波。然而，即使由兩個幾十倍太陽質量的黑洞產生的重力波，在穿越了十幾億光年抵達地球後，亦會變得非常微弱，其波幅只有約萬分之一個質子直徑。只有非常精密的實驗才有可能探測到這極其細微的長度變化。

於 2015 年 9 月 14 號首個直接測量到的重力波叫做 GW150914（即 Gravitational Wave 15-09-14），其波源離地球約 13 億 3 千 7 百萬光年。它和之後再證實測量到的另外三個重力波事件 GW151226、GW170104、GW170814 的波源都是雙黑洞併合系統（binary black hole merger）。故名思義，雙黑洞併合就是兩個黑洞結合在一起的意思。

兩個黑洞互相環繞運行時，其極強重力會把時空扭曲成向外擴散的重力波，就好像兩艘互繞航行的船隻在水面造成的波動般。由於重力波帶有能量，不斷放出重力波的雙黑洞系統的能量就會逐漸流失，使它們越來越彼此靠近，最終併合為一，成為一個更巨型的黑洞。

兩個黑洞的距離越近，放出的重力波能量就越強。以現時頂尖科技，我們測量到的重力波都只是它們併合前一瞬間放出的。不過，單憑這丁點資訊，科學家已經能從中獲得大量關於波源系統的情報，包括它們來自天空中哪個方向、年代有多久遠，以及兩個黑洞的質量等等。

重力波和電磁波

一直以來，人類，呃不，正確來說應該是地球上存在過的所有生物，都只靠光線、聲波、接觸，甚或電場和磁場來得到關於這個世界、這個宇宙的資訊。而這一切感知方式背後，其實都依賴相同物理原理——電磁力。

天文學家並沒有觀察到來自這四次雙黑洞併合事件的任何電磁輻射。世界各地的光學和無線電望遠鏡、太空中的 X 射線和伽瑪射線望遠鏡等，都完全沒有測量到任何可能來自這些併合事件的電磁波。物理學家其實早已料到不會有任何電磁輻射，因為這些黑洞都重達十幾到幾十倍太陽質量，互相環繞運行了數以十億年計的時間，周遭物質早被吸收得一乾二淨。沒有物質，就沒有方法輻射電磁波。所以，這些結果其實是證實了物理學家的黑洞理論。

那麼，我們就不能期待會有同時放出重力波和電磁波的系統嗎？非也。如果該雙星併合系統的其中一方、或者雙方都不是黑洞的話，那麼雖然在併合後依舊會形成一個黑洞，但周圍就會殘留有併合過程中拋出的物質。這些物質會在黑洞周圍形成吸積盤（accretion disk）和噴流（jet），放出伽瑪射線、X射線、可見光以至無線電各種電磁輻射。

事實上，這正是所謂的短伽瑪射線暴（short gamma-ray burst, sGRB）的形成理論。伽瑪射線暴是一種突然爆發放出大量伽瑪射線的天體，依其爆發持續時間分為長短兩種，其中短的不超過兩秒。天體物理學家一直估計，短伽瑪射線暴是兩個中子星碰撞結合所產生的，稱為雙中子星併合（binary neutron star merger）。我本身亦從事伽瑪射線暴的研究，它們的形成和輻射機制是高能量天體物理學的未解之謎。

電腦模擬研究顯示，雙中子星併合或中子星-黑洞併合（neutron star-black hole merger）過程中會釋放出大量高能量伽瑪射線。同時，這些併合事件亦會放出重力波，因為中子星的重力亦非常強大，僅次於黑洞。

因此，物理學家期待位於美國的兩座激光干涉重力波天文台（Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory, LIGO）和歐洲的處女座干涉儀（VIRGO Interferometer）能夠探測到來自短伽瑪射線暴的重力波。電磁波加上重力波的雙重資訊，將能夠幫助天體物理學家解開伽瑪射線暴的袐密。

歷史上，人類首次間接探測到重力波就是依賴雙中子星系統的。1974 年，麻州大學的 Russell Alan Hulse 和 Joseph Hilton Taylor, Jr. 以無線電天文望遠鏡發現雙中子星系統 PSR B1913＋16 的互繞公轉週期會逐漸遞減，衰減率與廣義相對論預測的數值吻合。Hulse 和 Taylor 亦因此獲頒 1993 年諾貝爾物理學獎。不過，這方法只算間接探測到來自雙中子星的重力波，亦未能幫助到伽瑪射線暴的理論研究。

重力波與光聯手 改變歷史的發現

這段科學史已經在 2017 年 8 月 17 號徹底改變。今天，由 LIGO 和 VIRGO 團隊帶領的國際跨領域研究團隊召開了記者招待會，公布 LIGO 和 VIRGO 已經測量到來自短伽瑪射線暴 GRB170817A（即 Gamma-Ray Burst 17-08-17 編號 A）的重力波 GW170817！這個重力波-伽瑪射線暴源最先由監察伽瑪射線暴的太空望遠鏡，例如費米伽瑪射線太空望遠鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope）發現、定位後，再交由世界各地的光學和無線電望遠鏡進行後續觀測。

Composite images of the optical counterpart to GW170817. [Credit: Soares-Santos et al. and DES Collaboration, http://www.ligo.org/detections/GW170817.php]

全球超過 70 個研究機構的每個波段的望遠鏡，包括伽瑪射線、X 射線、紫外線、可見光、紅外線、無線電，再加上重力波都探測都這個重力波-伽瑪射線暴源（見下列伽瑪射線暴 GRB170817A 全電磁波段發現論文），這絕對是史無前例的大發現！我作為費米伽瑪射線太空望遠鏡研究團隊成員，看過 GRB170817A 的數據，同意這是一般短伽瑪射線暴。然而，LIGO 和 VIRGO 測量到來自這個伽瑪射線暴的重力波，使它成為人類科學史上最重要的重力波-伽瑪射線暴源。

這個重力波-伽瑪射線暴源位於 NGC4993 星系，距離地球約 1 億 3 千萬光年。與前四次重力波不同，GW170817 並非來自雙黑洞併合，而是來自雙中子星併合。兩個中子星的質量分別為 1.6 和 1.1 太陽質量，與中子星的質量相符，釋放出相當於 0.025 太陽質量的能量的重力波。這是人類首次直接測量到來自中子星的重力波，相信日後會陸續探測到更多重力波-伽瑪射線暴源，有助了解中子星密度極高的內部結構。

中子星與黑洞的質量示意圖。 [Credit: LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern University，http://www.ligo.org/detections/GW170817.php]

這是我們首次以兩種自然力的輻射——電磁波和重力波——同時測量到的天體。這代表我們能夠以兩種不同的物理基本力去看同一個物理現象，得以比從前更深入了解當中的物理過程。同時探測到來自 GRB170817A 的伽瑪射線和 GW170817 的重力波，而且兩者皆來自天空同一區域，是兩者有物理關聯的極佳證據。短伽瑪射線暴會伴隨重力波這一發現，亦與上述「短伽瑪射線暴是中子星併合所產生」的假設吻合。

是次發現不單開創了同時利用重力波和電磁波觀測的先河，亦為短伽瑪射線暴的形成機制提供了有力證據。我期待，重力波天文學與電磁波天文學能合作解決更多難題、發現更多超出人類想像的有趣現象。

愛因斯坦教授，大自然又再次證明，你的理論是正確的。

延伸閱讀：

LIGO 與 VIRGO 團隊的新聞稿：https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817
重力波 GW170817 發現論文：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.161101
伽瑪射線暴 GRB170817A 全電磁波段發現論文：http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa920c" target="_blank">http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa91c9
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa920c
在LIGO網站上與重力波相關的研究整理
 

【本文為香港《立場新聞》以及台灣《物理雙月刊》獨家文章；作者余海峯博士是費米伽瑪射線太空望遠鏡研究團隊成員】

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封面使用圖：Credit: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet