重力波是一種與光波有些相似的波動,光波來自光源,重力波起源於重力源,它們皆有特定的頻率與振幅,並且在真空中以光速前進;甚至重力波與光波一樣,在旅行了很長一段路程後,由於宇宙擴張的緣故,發生頻率變小的現象(紅位移)。
與光波不同的是,重力波行進過程中並不會被物質吸收或發散。

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▲ 大質量天體在時空中運動會產生重力波。Credit: NASA

 

重力波的觀測史中,最有名的目標為波霎PSR1913+16,這是一個位於天鷹座的雙星系統,距地21000光年,由兩顆中子星組成,於1974年被普林斯敦大學 Russell Alan Hulse 和 Joseph Hooton Taylor, Jr. 發現。在他們的觀測中發現這兩個天體的公轉週期有變小的趨勢(也就是愈來愈靠近彼此),這暗示了此系統有能量的減少,但卻未觀測到此系統有 X-ray 等高能射線的輻射,故以廣義相對論中的重力波來解釋此現象,發現相當符合。

由重力波引起的軌道衰減,其程度非常微小,大約每年使得此系統的公轉週期減少76.5微秒,兩星平均距離每年縮短3.5米,要使兩星接觸,還得花3億年。Russell Alan Hulse 和 Joseph Hooton Taylor, Jr. 兩人由於此發現而獲得了1993年諾貝爾物理獎。

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▲ Russell Alan Hulse 和 Joseph Hooton Taylor, Jr. 兩人的觀測資料。
 來源:Relativistic Binary Pulsar B1913+16: Thirty Years of Observations and Analysis

 

重力波的測量有些令人難以想像,但初步的想像如下:將兩顆球放在橡皮膜上,當有波動通過這兩顆球時,兩球之間的距離會改變,進而我們能察覺波動,而兩球距離的改變量能幫助我們測量波動的大小。

*廣義相對論告訴我們物質是分佈在由「時空」組成的連續面上,將橡皮膜比喻成此連續面,球則是面上任何具有質量的物體,當物質移動時,在面上產生波動,即為重力波。

LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory )計畫利用此一原理:將兩物體相距4公里放置,再以雷射光極為敏感的監測這兩個物體的距離,希望能藉由察覺兩物體「平白無故的改變距離」來發現重力波的通過。

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▲ LIGO。觀測重力波專用的「望遠鏡」。Credit: Caltech(加州理工)。

 

然而,重力波觀測的困難點在於訊號太弱,一個超新星爆炸所產生的擾動,大約產生波長約300公里的重力波;一個雙星系統合併為黑洞時則產生波長至少30萬公里的重力波;而宇宙至今最大的擾動:大霹靂,其波長則為30億光年--幾乎要測不出來了!

*由於重力波在真空中為光速,因此其波長與頻率(能量)成反比,即波長愈大,頻率(能量)愈小。

 

問題:
愈激烈的事件(例如大霹靂),所產生的能量應是最高,為什麼所測得的重力波能量反而是最小的呢?

獎品:我們有剩什麼東西可以送嗎? XD

 

相關資料:
Astronomy Without A Telescope – Gravitational Waves@Universe Today
PSR B1913+16@Wikipedia

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  • life0818
  • 答案是大霹靂距離現在已經30億光年,那因為重力波其波長與頻率(能量)成反比,所以能量就變很小啦XDD
  • w5416eyk8
  • ﹋我♀要在☆這裡強﹎O你 goo‧﹉gl/ClgFem