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科學人新聞

偵測時空的耳朵

2007/08/08 馬瑟(George Musser)
藉由脈衝星的一臂之力,我們可以偵測到重力波。

重點提要

藉由脈衝星的一臂之力,我們可以偵測到重力波。
重力波:一旦穿過脈衝星訊號所傳播的途徑,便會改變一陣陣脈衝之間的空間結構,進而改變他們到達地球的時間,並由可以分辨微秒級偏差得望遠鏡觀察到

要是有一對黑洞撞上地球的話,理論上,你應該會「聽到」它們來襲。不過這並不是藉由聲波,因為聲音在沒有介質的真空宇宙中是無法傳遞的,而是藉由重力波。當黑洞逼近之時,會以大量的重力波蹂躪你的內耳骨,製造出嘎嘎作響的聲音。在一般的情況下,即便天文學家認為重力波無時無刻都在穿透我們的身體,我們卻完全聽不到。這些重力波在穿過遙遠的宇宙之後,抵達我們身上時已經減弱很多,它們會改變我們骨頭及其他東西的長度,變化量大概不超過質子的寬度。

要聽到這些重力波,你需要一個超級靈敏的麥克風,像是「雷射干涉儀重力波觀測站」(LIGO)。這是一對先進的雷射測距儀,分別設置在美國華盛頓州以及路易斯安那州,目的是要找尋在儀器中受重力波引發的震盪。不過,要偵測震盪,還有其他方法。最新的研究認為,其中有些技術甚至可以測試出愛因斯坦的廣義相對論對重力的解釋是否完整。

這項技術是借助脈衝星的一臂之力。脈衝星這種恆星會發出像原子鐘般規律的閃光,要是重力波從你和脈衝星之間穿過,它便會交互拉長和壓縮脈衝及脈衝之間的空間,閃光於是跟著減速和加速。美國德州大學布朗茲維分校重力波天文中心的天文物理學家李柯伽(Kejia Lee)表示:「我們可以對它計時,而重力波則會改變脈衝波抵達我們這裡的時間。」這項技術不像過去是以脈衝星來探測重力波,而是篩選出重力波所帶來的直接影響。

由大型黑洞合併時或是早期宇宙形成過程中所發出的重力波,會造成1/1015的脈衝計時誤差,等於每10年會差一微秒。這種變化的速度要是快到數年有一次以上,它便會淪為背景雜訊。LIGO的問題則是另一種:要是變化的速度太慢,由於地震活動的關係,它就偵測不到這個變化。因此,他們便截長補短,合併這兩種方法。

要分辨出時間變化,天文學家得比對數十個脈衝星。根據相對論,重力波的震盪方向會正交於行進方向,物體受到拉長和壓縮的方向也會相互垂直。於是,我們會觀察到脈衝星在某個方向變慢了,而在轉了90度的方向則變快,但雜訊就沒有這項特徵了。

李柯伽和德州大學的同事傑納特(Fredrick Jenet)及普賴斯(Richard Price)目前已經將這項技術延伸到愛因斯坦沒有提及的重力理論。這些理論預測,物體會在同一時間交互地往各個方向(也可能與行進方向相同,即所謂的縱波)拉長和壓縮,就像是呼吸運動一般。脈衝星是唯一可以符合這種非常規振盪模式的波,而這種振盪模式在量子重力理論中可代表幾種不同類型的粒子。富蘭克林暨馬歇爾學院的脈衝星計時專家洛曼表示:「還好有人願意去思考非廣義相對論的重力波,這可是重要至極。」

這也意味著,這項技術仍舊尚未得到證實。 該團隊還沒有做出成果來證實這個震盪模式足以拿來和相對論匹敵,或是如何分解一個混合的振盪模式。2004年以來,澳洲的派克無線電望遠鏡,每兩週便監測20個脈衝星一次,但至今卻尚未見到任何愛因斯坦理論的或其他類型的重力波。不過這並不奇怪,因為三年還太短。何況,LIGO也尚未偵測到任何一種波。我們只希望,不要等到黑洞直接撞上地球的那一刻,才得以證明愛因斯坦是對是錯。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2007年第66期8月號】


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