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2017-07-06 三度發現重力波,揭露新黑洞族群!

 
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  雷射干涉儀重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,LIGO)第三次偵測到重力波!和前兩次的重力波事件一樣,這次的重力波是由兩個黑洞合併形成一個較大的黑洞所產生。原本的兩個黑洞質量為32個太陽質量和19個太陽質量,而新形成黑洞的質量有49個太陽質量──剛好介於第一次發現的黑洞(62個太陽質量)和第二次發現的黑洞(21個太陽質量)之間,在合併過程中,有2個太陽質量被轉換為重力波的形式,向四面八方放出!

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圖說:藝術家想像中形成GW170104重力波的兩個黑洞,這兩個黑洞互繞旋轉,最終將形成一個大黑洞,這兩個黑洞的自轉方向和互繞平面的方向並不相同。
Credit: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)
 
  LIGO有兩個偵測器,分別位在美國路易斯安那州利文斯頓縣(Livingston, Louisiana)和華盛頓州漢福德鎮(Hanford, Washington)兩地,相距3002公里。LIGO由美國國家科學基金會(National Science Foundation)提供經費,並由加州理工學院(Caltech)和麻省理工學院(MIT)共同維持運作。

  在首度偵測到重力波之前,LIGO才進行了耗時7年級兩億美元的升級計畫。升級完成的aLIGO(Advanced LIGO)才剛上線,就在2015年9月14日偵測到第一起重力波事件GW150914,由距離13億光年外,質量分別為36和29個太陽質量的兩個黑洞合併,形成62個太陽質量的黑洞,釋放出3個太陽質量的能量。2015年12月26日,偵測到第二起重力波GW151226,由距離14億光年外,質量分別為14.2和7.5個太陽質量的兩個黑洞合併,形成20.8個太陽質量的黑洞,釋放出0.9個太陽質量的能量。新的一輪觀測2016年11月30日開始,將會持續到今年夏天。相關的論文發表在《物理評論通訊》(Physical Review Letters)。

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圖說:本次偵測到的重力波,為兩個分別為32個太陽質量和19個太陽質量的黑洞合併,形成49個太陽質量的黑洞所產生。

  這三次重力波事件都是由成對黑洞合併,以重力波形式所釋放出大量能量,比任何時刻宇宙中所有星系和恆星所發出的光的能量都還要更多。這次的重力波與我們的距離最遠,大約在30億光年之外,足足是前兩起重力波事件距離的兩倍以上(前兩次的距離分別是13億和14億光年)。LIGO所偵測到的三起重力波事件,揭露了一個新的黑洞族群──大於20個太陽質量的恆星級黑洞,這和先前單獨以X射線進行觀測所發現的黑洞族群很不相同。

 

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圖說:LIGO發現新的黑洞族群──大於20個太陽質量的恆星級黑洞,這和先前單獨以X射線進行觀測所發現的黑洞族群很不相同。Image credit: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

  這次觀測另一個相當重要的貢獻,是提供了黑洞自轉的相關線索。黑洞互繞公轉時,本身也會自轉。有時候黑洞的自轉方向會與公轉方向相同,有的時候則是會相反,當然,自轉軸也可以傾斜於公轉軌道平面。

  這次LIGO的觀測雖然仍無法知道黑洞的自轉是否傾斜於公轉軌道平面,但數據顯示至少有一個黑洞自轉方向與公轉方向並不一致,未來還需要更多觀測資料,才能協助我們推測黑洞的自轉方向,進一步理解成對黑洞的形成機制。

  科學家認為這可能暗示,黑洞是在擁擠的星團中形成。成對黑洞有兩個主要的形成理論,其中一個是由大質量的雙星系統爆炸產生,由於雙星互繞時的自轉方向就與公轉方向相同,因此以此種方式形成的黑洞也會維持一致的自轉和公轉方向。

  另一種理論則是認為黑洞是在擁擠的星團中形成後,逐漸因為重力的關係,往星團中心移動,之後才開始互繞旋轉而產生成對黑洞。如果成對黑洞是以此種方式形成,那麼就會有各式各樣的自轉方向,而與公轉方向無關。

  這次LIGO的觀測資料似乎找到了一些證據,證明GW170104重力波事件中的黑洞的自轉方向與公轉方向並不一致,因此較支持成對黑洞是在星團中形成的理論。但這都還需要更多的觀測數據,才能有較為明確的結論。

  這項研究也證實了愛因斯坦理論的其他預測,像是他認為重力波傳遞的過程和一般的電磁波不同,並不會發生色散現象。光在介質傳遞時中,會因為波長不同,而有不同的速度,因此造成色散,日常生活中可以利用三稜鏡製造出彩虹是因為色散的原理。研究人員在LIGO的觀測資料中並沒有發現重力波發生色散現象的證據存在。也由於這次重力波事件發生的距離離我們更遠,研究人員也對這樣的結果更具信心。

  這次的研究是由LIGO 團隊與歐洲的 Virgo 團隊共同合作,接下來Virgo將在今年夏天擴展偵測站網路,能更準確定位重力波訊號的來源。而LIGO也即將在2018年底再次進行技術升級,改善偵測器的靈敏度。團隊的天文學家也提到,LIGO所偵測到的這三次重力波事件都是兩個黑洞合併所產生的,但他們也很希望將來能偵測到其他天文現象──像是兩個中子星互撞,所產生的重力波事件。


延伸閱讀:

廣義相對論發表100年後才終於偵測到重力波
http://tamweb.tam.gov.tw/v3/tw/content.asp?mtype=c2&idx=1475

重力波再現!
http://tamweb.tam.gov.tw/v3/tw/content.asp?mtype=c2&idx=1532

百年追尋-重力波
http://tamweb.tam.gov.tw/v3/attach/File/no72/files/downloads/attachments/no72%E7%99%BE%E5%B9%B4%E8%BF%BD%E5%B0%8B%E2%94%80%E9%87%8D%E5%8A%9B%E6%B3%A2.pdf

LIGO 官方新聞稿:GW170104 Press Release LIGO Detects Gravitational Waves for Third Time Results confirm new population of black holes
https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170104

時空漣漪有助解開黑洞彼此繞行之謎!http://tamweb.tam.gov.tw/v3/tw/content.asp?mtype=c2&idx=1672

LIGO發表第三個重力波事件
http://case.ntu.edu.tw/blog/?p=28233

重力波GW170104再證愛因斯坦理論正確
https://phycat.wordpress.com/2017/06/02/third_gw/


相關影片:

三分鐘搞懂重力波
https://youtu.be/vNXJfDvNc2s

李傑信博士談「重力波」─一扇觀測宇宙的新天窗
https://youtu.be/-_uU5ENGyWA

【百秒說科學】改變時空形狀的重力波
https://youtu.be/7YLM5OjPyrY

為什麼愛因斯坦一度不相信重力波 — 重力波的故事│2016 春季展望科普演講
https://youtu.be/Sr_yJausOX0

 

編輯:胡佳伶

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