​重力波到底是什么？和黑洞又有什么关系？

重力波到底是什么？和黑洞又有什么关系？

重力波示意图。 当物体加速度前进时 (如两个超大质量星体互绕)，会使空间的扭曲发生变化、产生「涟漪」，这就是「重力波」。 图片来源│R. Hurt/Caltech-JPL

雷射光被分光镜分成两道，分别沿着两根管子前进，经由管末的反射镜反射四百趟之后，两道雷射光会在出发的交角处会合并互相干涉。 如果没有重力波，两道光程一样(两根管长一样)，不会出现干涉条纹。 如果有重力波经过，光程不同(管长些许不同)，就会出现干涉条纹，藉此侦测出重力波。 数据源│ LIGO will be getting a quantum upgrade 图说设计│黄晓君、林洵安

雷射干涉仪太空天线 (LISA) 示意图。 在太空中的三个相距 250 万公里的探测器会朝彼此放出雷射光，当有重力波经过造成空间扰动，使宇宙飞船间的距离改变时，会影响雷射光的干涉结果。 图片来源│NASA

台湾中研院物理所吴建宏研究员，以深厚的学养、推广科学的使命感，将高深的重力波学理，转化为生动好懂的科普演讲，在 2019 年中研院院区开放日与民众分享。 摄影│林洵安

据《研之有物》（采访编辑：郭雅欣 美术编辑：林洵安）：若说起近年科普界最火红的关键词，绝对少不了「重力波」。 重力波爆红的原因，无非是位于美国的雷射干涉仪重力波观测站（ LIGO ）在 2015 年首度观察到来自一场黑洞合并事件引起的重力波，并于 2017 年获得诺贝尔物理奖的肯定。 重力波到底是什么？ 和黑洞又有什么关系？ 2019年台湾中研院院区开放日，中研院物理所吴建宏研究员的精彩演讲「利用重力波探测宇宙黑洞」，要跟大家聊聊重力波大小事。

重力像水波？

宇宙万物之间都有重力，比如说，地球是因为具有重力，才能把我们「吸」在地表上；太阳是因为具有重力，才能让八大行星不断绕着它公转。

不过，爱因斯坦的广义相对论中，认为重力是来自空间的扭曲，质量愈大的物体，周围的空间就扭曲的愈厉害。 而当物体加速度前进时，则会使空间的扭曲发生变化、产生「涟漪」，这就是「重力波」。 吴建宏形容：「就像水中的涟漪那样，水波是依赖着水而存在，重力波则是依赖着空间而存在。 」

既然宇宙中有那么多天体，而且质量大的也不少，可以想象我们所处的「空间」到处都是重力波，一点也不平滑，反而可能像处处水波荡漾的大池塘，真是颠覆直觉！

既然重力波到处都是，为什么在爱因斯坦 1916 年提出重力波之后，我们相隔了约100年，才终于透过 LIGO 找到了它存在的证据呢？

因为重力波能引起的「波动」非常的小，科学家估计即使是剧烈的天体合并事件，能引起的重力波所造成的空间扰动，传递到地球时，数量级也顶多只有 10-12 比 1，换算下来，一个一公里长的物体， 因为重力波而造成的改变量只有千分之一个原子核直径那么长而已，也难怪爱因斯坦在提出重力波之后，曾说过「我们可能永远测量不到重力波的存在。 」不过，幸好如此，我们才不会感觉自己一下子变矮、一下子又变胖，对吧？

尽管连爱因斯坦都没把握测得到，但不要小看科学家的斗志。 既然波动很小，我们就设计超级精密的仪器来测量它！ 在科学家大无畏的精神下制造出的 LIGO ，精确度数量级硬是高达了 10-22 ！

「在爱因斯坦提出重力波的一百年后，我们终于找到了重力波存在的证据」

LIGO 的完美 L

科学家是怎么做到的呢？ 答案就在 LIGO 超特别的设计里。 LIGO 包含了一组相互垂直、呈 L 形的两根管子，每根管子的长度都是4公里。 一开始，从交角处出发的雷射光，会被分光镜分成两道，各自沿着两根管子前进，再由管末的反射镜反射回来。 雷射光来回反射四百趟之后，会在交角处会合并互相干涉。

在没有重力波的情况下，从两根管子回来的雷射光走的路程长度完全相同，在干涉过程中会彼此抵消，不会产生讯号。 但如果重力波引起空间扭曲，就可能对两根管子的长度产生影响，拉伸或压缩了一点点，两道雷射光的光程就会有些微不一样，回到交角处时的相位也会有一点点差异，这一点点的差异就足以让 LIGO 精密的干涉仪器产生干涉讯号，让科学家知道： 「嘿！ 刚刚有重力波经过这里！ 」

换言之，尽管重力波能产生的空间扰动超级小，但 LIGO 把雷射光的光程拉得超级长，尽可能把重力波造成的空间扰动放大到可观测的程度，然后等待足够大的重力波来临时，就是我们窥探它的好机会。

看见了！ 黑洞在合并

当然，尽管我们用 LIGO 这样的仪器做了万全的准备，要看到「足够大」的重力波，还得有天时地利的帮助才行。 重力波虽然可以穿透万物，不像光一样容易被挡住，但若波源太远，波的强度还是会随着距离逐渐减弱，所以得有一个距离地球不太远，又能产生明显重力波的波源才行。

此外，要产生重力波，需要天体系统在旋转时的「轮廓」产生变化，也就是这个系统本身的外观愈不对称愈好。 如果是一个球状对称的天体在自转，或者天体很平均的向内塌缩，是不会产生重力波的。 反过来说，一个双星系统彼此绕行最后合并的过程，由于双星位置一直变换，整个系统的不对称性高，因此产生的重力波就会比较明显，所带出的能量也会比较大，相对容易观测。 既然如此，最可能产生重力波的事件，就莫过于「黑洞合并」及「中子星合并」了。 以下是以计算机仿真两个黑洞合并事件以及在过程中发出的重力波。

黑洞和中子星都可以是恒星老年死亡后塌缩下的产物。 恒星倚赖核心的物质进行核融合反应，来抵抗自身重力，一旦迈入老年，内部的核融合燃料渐渐减少，就会抵抗不了重力，整个球体往内塌缩成更小的球体。 如果恒星的质量够大，最后会在一场「超新星爆炸」后，留下中子星，其中所有的电子、质子都被重力压缩合并成中子，可以想见重力有多么巨大！ 如果要形成黑洞，需要的重力又比中子星的更巨大，连中子都被压缩，形成一个密度无限大的「奇异点」，位于黑洞中心，它是一个以目前的物理还无法解释到底是什么的「点」。

黑洞与中子星是宇宙中密度最大及次大的天体，如果彼此互绕又合并，放出的重力波一定有机会看得到。 果不其然，2015 年 9 月，LIGO 团队首度侦测到的重力波，讯号就来自距离地球约 13 亿光年的一次黑洞合并事件，两个黑洞的质量分别约为 36 倍太阳质量和 29 倍太阳质量。 这个结果让全世界的物理学家都震惊了，因为这是重力波真正存在的第一个铁证！

接下来的两年内，LIGO 及 VIRGO 又陆续观测到三次黑洞合并事件引起的重力波，还在 2017 年 8 月首次观测到由中子星合并事件引起的重力波！ 由于中子星会放出可见光，科学家利用其他望远镜对这次的合并事件的观察结果，也得到许多珍贵的新发现，例如重金属元素的形成。

LIGO 与 VIRGO 并非世界上仅有的重力波探测计划。 科学家会利用分布世界各地的无线电波望远镜，组成波霎定时数组（PTA），由于波霎就像极为精准的灯塔一样，隔着固定的时间间距放出无线电波，因此，如果波霎受到重力波的影响，导致放出的无线电波传递到地球的距离有了一点点改变， 就会使它来到地球的时间提早或延迟一点点，科学家可以透过观察这个微小的时间差来搜寻重力波。

另一方面，欧洲太空总署预计在 2030 年发射「雷射干涉仪太空天线」（LISA），包含三个宇宙飞船，彼此相距 250 万公里，利用和 LIGO 类似的设计，从彼此间传递的雷射光干涉结果来寻找重力波。 这几个重力波探测计划针对的重力波频率各有不同，因此可以找到不同的重力波源，重力波的频率愈低，愈可能是质量愈大的黑洞或中子星合并事件，因为系统所占空间愈大，彼此绕行一圈要花的时间也愈久，放出重力波的周期也跟着愈长。

重力波：探索天文的新神器

在探寻重力波的路途上，黑洞扮演着重要的角色，宇宙中的黑洞合并事件让我们有了窥探重力波的机会。 反过来，在科学家证实重力波的存在，并且一次次探测到重力波之后，也准备利用重力波来研究天文，这是因为重力波在传递过程中，不会受到任何物体的干扰，不像光或粒子容易被挡住，所以重力波可以将波源的讯息， 例如合并事件中的黑洞质量及自旋，完整的传递出来。 因此，重力波是研究黑洞、甚至是其他天文课题的好工具。

「在我们千辛万苦找到重力波之后，重力波反转角色，从被观察的对象，变成研究天文的好工具。 」

举例来说，从重力波的观测，我们看到了许多双黑洞合并的事件，这或许可以对于「超大质量黑洞」起源提供左证。

多数黑洞的质量落在几十个太阳质量的范围，通常是恒星死亡所造成，然而宇宙中有许多质量比这大很多的超大质量黑洞，例如银河系中心的黑洞有 400 万倍太阳质量，前阵子由中研院天文所拍摄到首张黑洞照片的主角 ── M87 星系中心的黑洞， 更是高达 65 亿倍太阳质量。 这些大得让人无法想象的黑洞，起源一直令人好奇。 目前主流认为，它们是由普通黑洞彼此不断合并而逐渐形成的。

另一方面，重力波也可望在吴建宏目前所研究的「太初黑洞」」（primordial black holes) 课题上，提供重要的协助。

太初黑洞最早是 1970 年代由霍金所提出，指的是宇宙刚刚形成时产生的黑洞。 当时宇宙还没有任何天体形成，只有一些物质分布，有些地方分布得比较致密，就可能塌缩产生黑洞。

这些太初黑洞和目前所知的黑洞不太一样，质量可以非常的小，只有 1012 公斤，大约是地球上一座冰山的质量。 因为黑洞会不断放出辐射而蒸发，这么小的黑洞，蒸发速度很快，如今应该几乎都消失了。

那么，重力波如何能帮忙找到太初黑洞呢？ 关键是：太初黑洞是早期宇宙中物质分布比较致密的地方，在形成时物质的分布是不对称的。 如前面所说，不对称的系统会放出重力波。 尽管这些小小的黑洞可能都蒸发消失了，但曾经发出的重力波不会消失。 如果太初黑洞数量够多，产生的重力波迭加起来，我们应该有机会观察得到。 换句话说，重力波能够为太初黑洞的存在与否提供左证。

「太初黑洞可能很迷你，却留下了永远不会被抹灭的重力波讯号。 」

总之，重力波的研究才刚刚开始，但物理学家们都非常看好，引颈期盼它能带来更多惊喜！