重力波GW170104再證愛因斯坦理論正確

才剛寫好一篇關於愛因斯坦廣義相對論的文章，美國的激光干涉重力波天文台（LIGO）又再發表論文，宣佈第三次探測到來自雙黑洞結合產生的重力波 GW170104。論文通過同儕審查，刊登在 Physical Review Letters。

重力波是極大質量扭曲時空而產生的時空漣漪。根據廣義相對論，質量會令時空彎曲，這就是萬有引力的成因。如果極大質量以特定方式運動，其扭曲時空的效果就會形成波動，把能量以光速向外輻射開去。

與前兩次重力波 GW150914 和 GW151226 一樣，這次探測到的重力波來自雙黑洞結合系統，命名為 GW170104。兩個黑洞的質量分別為 31 和 19 太陽質量，它們互相環繞運動，越轉越快，最終碰撞結合成一個 49 太陽質量的黑洞。在此過程中，相等於約兩個太陽質量的能量的重力波會向四面八方輻射，比任何時刻宇宙中所有星系和恆星輻射的能量更高。

X射線望遠鏡發現的黑洞大小（紫色）和 LIGO 發現的黑洞大小（藍色）。Image courtesy of LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

然而，比起 GW150914 和 GW151226，GW170104 的雙黑洞來自 30 億光年以外，是 GW150914 和 GW151226 距離的兩倍以上。而且，這次結合得出的黑洞質量正好介乎前兩次的數值之間，使物理學家確認 20 倍太陽質量的黑洞族群確實存在。在 LIGO 探測到重力波之前，根據 X 射線望遠鏡的觀測，我們從未發現過 20 倍或以上太陽質量的恆星質量黑洞（stellar-mass black hole）。

隨著 2018 年歐洲的 Virgo 探測器將開始運作、而且 LIGO 將再次升級，探測重力波的靈敏度將會再次提高。屆時，科學家或許能夠探測到期待已久、來自中子星雙星系統或中子星-黑洞系統的重力波。物理學家預測，涉及中子星的結合事件除了重力波外，亦會釋放出高能量的電磁輻射如 X 射線和伽瑪射線，稱為伽瑪射線暴。同時探測到來自同一系統的重力波和電磁波，可以提高探測的可信性外，也能幫助天體物理學家分辨各種星體模型，有助了解這些極端星體的物理和演化。

GW170104 還告訴了我們很多訊息。例如，這次結合的兩個黑洞，至少有一個的自轉並非與它們互繞的平面方向相同。換句話說，至少其中一個黑洞的自轉軸是傾斜了的，就好像地球的自轉與公轉平面之間有個夾角一樣。這個發現，顯示兩個黑洞可能並非於同一雙星系統中誕生，而是在誕生後才互相捕捉，形成雙黑洞系統。

GW170104 的探測數據（灰色）、其小波分析結果（橙色）和雙黑洞電腦模擬結果（藍色）。上下分別為位於 Hanford, Washington 和 Livingston, Louisiana 兩座 LIGO 天文台的訊號。Abbott et al. (2017).

另外，研究員亦確認了愛因斯坦的重力波預言準備無誤。重力波與電磁波不同，不會發生色散現象。色散其實就是光線穿過介質後分開成各種顏色的現象，就如太陽光穿過雨後的水珠形成彩虹一樣。LIGO 沒有發現任何重力波發生色散的證據，愛因斯坦的廣義相對論又再下一城。

美國的 LIGO 團隊與歐洲的 Virgo 團隊合作，迄今已經探測到三個重力波和一個低可信性的疑似重力波。這兩個研究團隊人數過千，成員來自全球各地，也包括來自香港的研究員。作為研究伽瑪射線暴的天體物理學家，我期待探測到伴隨伽瑪射線暴的重力波，這將會是人類科學文明的極重要里程碑。

封面圖片：畫家想像的 GW170104 雙黑洞系統，圖中黑洞的自轉軸與互繞平面方向不同。Image courtesy of LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet).

延伸閲讀：

LIGO 論文：Abbott et al., “GW170104: Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2”, Phys. Rev. Lett. 118, 221101

LIGO 官方新聞稿：GW170104 Press Release LIGO Detects Gravitational Waves for Third Time Results confirm new population of black holes

我以往關於重力波的文章：
《重力波：愛因斯坦的最後預言 (上)》
《重力波：愛因斯坦的最後預言 (中)》
《重力波：愛因斯坦的最後預言 (下)》
《銀河消息：人類首次聆聽重力波》
《愛因斯坦教授 你是正確的》
《重力波：2016年邵逸夫天文學奬》