天文太空

三方聯手探出重力波源

第三座重力波偵測器VIRGO升級後即將重新啟動,與其他兩座偵測器合作,更加精確定位出重力波源。

撰文/萊特(Katherine Wright)
翻譯/洪艾彊

天文太空

三方聯手探出重力波源

第三座重力波偵測器VIRGO升級後即將重新啟動,與其他兩座偵測器合作,更加精確定位出重力波源。

撰文/萊特(Katherine Wright)
翻譯/洪艾彊


一年多前,科學家首次偵測到通過地球的重力波。兩座分別位於美國華盛頓州和路易斯安那州的偵測器極為靈敏,各自偵測到兩個黑洞在合併時扭曲附近時空所傳遞出的訊號。


當雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO)的科學家在五個月後公佈發現時,迅速造成國際轟動,並成為2016年最重要的物理學新聞。自從愛因斯坦在1916年第一次提出重力波,幾十年來,物理學家不斷進行實驗,希望尋找重力波存在的直接證據。


雖然這項突破令人印象深刻,但還是無法解答幾個關鍵問題。其中最重要的疑問是:這次重力波的來源到底在哪裡?假如未來偵測任務一切順利,科學家也許很快就能回答這個問題。


物理學家準備在今年夏天前重啟位於義大利比薩近郊的第三座重力波偵測器──VIRGO。當LIGO在2015年9月接收到兩個訊號時,VIRGO正停機進行升級。科學家預期,一旦三座巨大儀器同時運作,尋找重力波源將大有進展。當三座偵測器同時偵測到同一重力波訊號,地面望遠鏡就可以利用三角定位,即時轉向,觀測太空中的特定區域,以找出可能產生重力波的碰撞事件地點。


重力波偵測器具有兩道長達數公里的「管臂」,整座儀器形狀像是英文字母L。即使重力波造成管臂長度的改變比質子直徑還短,高度靈敏的偵測器也能捕捉到這起時空扭曲事件的痕跡,但是如果只有一台偵測器在運作,便很難剔除地球的震動源;而且每座偵測器必須監控一大片區域,視野約為從地球看出去40%的天空,相當於站在沙漠原地轉一圈所看到的範圍。試想在那麼大的範圍內,要定位一顆昏暗的恆星,是多麼費工夫。


當初LIGO採用兩座偵測器有另一個關鍵理由。以光速傳播的重力波除非湊巧正面撞上兩座偵測器,否則偵測到的訊號會有毫秒時間差,藉由測量這個時間延遲,科學家可以計算出重力波行進的方向,追溯並限縮波源在天空中的可能區域。


以2015年偵測到的訊號為例,最後定出來的範圍大致是2%的天空。即使如此,要尋找任何重力波源,這片區域還是相當大。


VIRGO一旦完成升級便準備粉墨登場。在升級前,VIRGO的靈敏度連能量最高的重力波都難以偵測。如今,新反射鏡、真空幫浦和雷射都已就位,儀器靈敏度大幅提升,可以偵測並測量儀器兩管臂任何些微的長度差;電子零件已澈底檢修、新的硬體也安裝完成,同時為了防止不相干的局部震動干擾偵測到的重力波,儀器也做了調整。目前,VIRGO團隊正全天候努力趕工,希望儀器能在今年夏天前開始運作,這時便輪到LIGO關機進行升級。


VIRGO的發言人、義大利羅馬大學的物理學家瑞奇(Fulvio Ricci)表示:「一旦完成升級的VIRGO開始運作,重力波源在天空的可能範圍可望再縮小1/5。」美國哈佛大學的天文物理學家博格(Edo Berger)利用望遠鏡研究LIGO和VIRGO偵測到的事件,不過他對於VIRGO加入帶來的好處,看法比較保守,他認為:「沒錯,在網絡裡加入第三座偵測器,的確將大幅提升定出波源位置的能力,不過這只是把原本非常可怕的問題縮小為普通可怕。」


儘管如此,不容否認這是天文物理研究的大好機會。黑洞碰撞並不是唯一具有足夠能量、可以造成時空扭曲的事件。有些現象與黑洞不同,還會釋出望遠鏡可觀測到的可見光和其他電磁輻射,例如超新星爆炸的殘骸,或是當黑洞合併時事件視界附近釋出的高能輻射爆發;也有可能是兩顆中子星碰撞,或是中子星被黑洞強大重力場困住的光學證據。


科學家尚在等待重力波偵測器成功捕捉這些事件的時空漣漪,一旦確實偵測到,博格和其他天文物理學家將迅速調整望遠鏡,瞄準由三座(而不是兩座)偵測器合力限縮的區域。在天空中的位置如果較明確,可使小型望遠鏡也能接收到這些事件釋出的輻射,加入競爭激烈的戰局。


目前計畫讓三座偵測器至少同時運作一個月,這可能至少足夠讓科學家偵測到黑洞合併時釋出的重力波,至於其他稀有事件則仰賴運氣。賓州州立大學的物理學家薩提爾普拉凱許(B. S. Sthyaprakash)是LIGO團隊成員,他期待LIGO與VIRGO合作能使負責人考慮延長儀器同時運作的時間。他表示:「只要能引起參與人員的興趣,計畫就有機會改變。」這將有助於開展天文物理研究的新頁。


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