天文太空

桌上型重力波探測器

僅數公尺大小,目標是與暗物質有關的波源!

撰文/許杰仁(Jeremy Hsu)
翻譯/邱淑慧

天文太空

桌上型重力波探測器

僅數公尺大小,目標是與暗物質有關的波源!

撰文/許杰仁(Jeremy Hsu)
翻譯/邱淑慧


在大霹靂發生後一秒內,宇宙最初的黑洞可能透過重力波宣告了自身的誕生。重力波在膨脹的宇宙中傳播時,會拉伸、擠壓既存的結構。目前美國西北大學的研究人員開始計畫建造桌上型探測器,期待能夠偵測到宇宙在洪荒時期最初的啼聲。


重力波是時空漣漪,首度量測到是在2016年,由耗資10億美元的龐大設施「雷射干涉儀重力波觀測站」(LIGO)偵測到遙遠超大質量黑洞的碰撞與合併。在那之後,大型探測器也記錄到來自中子星合併的重力波。西北大學所提出的小型探測器在今年7月獲得資金,計畫測量的高頻重力波,可能來自從未偵測過的天體,例如最早期宇宙的黑洞。


目前的重力波探測器,例如美國的LIGO和歐洲的VIRGO,是由鏡片與雷射組成,支臂延伸長達數公里,在重力波通過時量測此段距離的微小變化。西北大學的懸浮探測器(Levitated Sensor Detector)則是利用雷射使真空腔中的玻璃珠懸浮,單臂長度僅一公尺、對受力極為靈敏。它將聆聽太初黑洞的回聲,以及理論粒子「軸子」(axion)的活動,兩者都可能是暗物質,也就是構成宇宙大部份質量、只能透過重力效應量測的不可見物質。


西北大學物理學家、新探測器計畫的首席研究員葛拉西(Andrew Geraci)表示:「我認為在尋找重力波的研究中,擴展探索的頻率範圍會有更多收穫,尤其是在LIGO那令人興奮的發現之後。這些與暗物質有關的重力波源,純屬臆測居多,LIGO發現的重力波源是本來就預期存在。」


要偵測關於暗物質的重力波源,西北大學的計畫將使用來自洛杉磯的慈善機構凱克基金會(W. M. Keck Foundation)資助的100萬美元,其他經費則來自校方。在經歷兩年研發之後,這個公尺級的原型探測器將初步運作一年,未來可能發展成長達10公尺的中型探測器。


沒有參與懸浮探測器計畫的加州理工學院實驗物理學家艾德希卡里(Rana Adhikari)評論,許多研究人員懷疑,是否有任何天體具有足夠能量產生這麼高頻(超過一萬赫茲)的強大重力波?但是他補充說,重力波源如果與暗物質有關,有可能成為例外:「宇宙之中所有會產生超音波頻段的重力波現象,都可能令我們大感驚奇。」