重力波找到了！

從大約13億光年之遙，這些重力波向外擴散，有如宇宙中的漣漪，在去年9月14日通過地球，在四組鏡子的距離上造成非常小、但可測量的改變－其中兩組鏡子在路易斯安那州，另外兩組在華盛頓州。

在兩個黑洞合併的最後一刻，它們釋放出的能量是宇宙所有銀河所有恆星釋放能量總和的50倍。

加州理工學院物理學家萊茲(David Reitze)在記者會上宣布這項重大發現時表示：「這是宇宙首次以重力波與我們對話。」

對於監控「雷射干涉儀重力波天文台」 (LIGO)的科學家而言，地球上收到的訊息像是鳥兒啁啾（chirp），先前預期將會伴隨兩個黑洞的死亡與合一而來。

「我們可以聽到重力波，我們可以聽到宇宙，」路易斯安那州立大學物理與天文學教授凱碧歐拉･岡薩雷茲(Gabriela Gonzalez)說。「我們不僅可以看到宇宙，現在還能用聽的。」

許多人認為，這項發現可望贏得諾貝爾獎。有關LIGO團隊這項重大發現的消息在社群媒體上流傳已久，就算沒有數月、也有數週的時間，不斷傳出即將會有正式的發布會。

感受震動

愛因斯坦1916年首次假設「重力波」，這是他的廣義相對論中最為矛盾的部分之一。「重力波」在極端活動中產生，例如相撞的黑洞、合併的中子星、或是爆炸的恆星，這些活動充滿能量，十分激烈，足以扭曲「空時」（spacetime），導致空間／時間延展與收縮。

但是，你或許可以想像，這些改變並非一般常理可以說明。否則的話，我們將會看到時鐘走動不一致，地景一直在伸展與壓縮。然而，「重力波確實正在穿越我們，」加州理工學院LIGO小組領導人艾倫･溫斯坦（Alan Weinstein）表示，「我以左臂打賭這是真的。我是左撇子。」

這意謂這些強有力的波掃過地球，其作用恰如其分地非常難以偵測。「空間的延展與收縮瘋狂地小，」溫斯坦表示。他指出，針對相距一公尺坐下的兩人，穿越的重力波可能改變兩人之間的距離僅僅10^-21公尺，也就是質子直徑的百萬分之一。

但是，放置兩面鏡子相距四公里，就像LIGO團隊所做，重力波的作用和質子直徑的萬分之一相似。「那是我們能做的，」溫斯坦說。

LIGO團隊設置兩具相似的L型偵測器，一具在路易斯安那州利文斯頓，另一具在華盛頓州漢福德，兩者的距離橫跨整個美國。對於重力波的訊息而言，必須出現在兩具偵測器上才算數。偵測器由兩組鏡子構成，兩組鏡子呈垂直狀。穿越的重力波會在一個方向延展空間／時間，在另一個方向壓縮空間／時間，導致偵測器的臂部出現不可思議地的微小震動，並由雷射偵測到。

這套裝置是全球最為敏銳的偵測設備，除了偵測重力波之外，也可以感應到六州之遙的卡車、地震和打雷的震動，還有全球定位衛星的訊號，以及地球上層大氣的電磁波。這一切的噪音必須過濾掉，才能偵測到來自重力波的微小訊息。

經過數十年的計畫和戲劇性的政治事件之後，LIGO團隊在2002年首次嘗試偵測重力波；經過八年無聲無息之後，偵測器在2010年關閉，並且進一步隔離干擾噪音。

所以，當LIGO團隊進階觀測工作於去年9月18日再度展開時，科學家相當樂觀相信，他們可以找到某些東西。

命運的奇特轉折，他們已掌握到一次偵測。在正式觀測開始之前，偵測器已啟動和運行，並已獲得一項極度誘人的訊息。這項訊息先被路易斯安那州偵測器發現，千分之七秒後，華盛頓州也偵測到了。

「我們很有信心，當狀況來臨，一定是好的狀況。我們是否會驚訝狀況好到像是夢幻一般？當然會。我的反應是，哇。我真是難以置信。」萊茲說。

當黑洞相撞

運用愛因斯坦的方程式，科學家從可觀察波返回，回頭來決定何種天體物理活動造成重力波。在本案例中，這些方程式指出，兩個相撞的黑洞是元凶，並且當它們合併時，會形成一個新的黑洞，是太陽質量的60倍多。

黑洞由死亡和殞落的恆星組成，是已知宇宙中最為奇特的天體之一；如果你可以稱它們為「天體」。「一般很容易把黑洞想成一團物質，由於十分密集，以致它的引力捕捉一切靠得太近的東西，甚至是光。但是，要稱黑洞是『物質』或『天體』，倒不如稱它是強烈彎曲、無底空時的區域。因此，當兩個黑洞合併時，這活動決不普通。」

「有點像是彎曲空間的翻騰混亂，快速地變動中，」溫斯坦如此形容。

在LIGO團隊偵測到的相撞中，兩個黑洞慢慢地互相環繞運行，長達數百萬年或是數十億年之久。但是，隨著兩個黑洞愈來愈接近，它們的軌道速度加快，直到最後以大約光速的一半互相環繞運行，並釋放出巨大的能量，以扭曲空時的重力波形式呈現。

然後，兩個黑洞合併。在合併前的最後一刻，環繞運行的兩個黑洞釋放出更多的能量，比整個宇宙釋放所有形式的能量還要多。一旦合併完成，合併產生的新黑洞左右搖晃，隨即安定下來，進入所謂的鈴蕩(ring-down)階段，也就是安靜下來前的最後喘氣。

這是令人印象深刻的故事，由地球上鏡子之間的極小距離改變所揭露。

國家無線電天文臺（National Radio Astronomy Observatory）天文學家史考特･蘭森（Scott Ransom）表示﹕「數據看來令人十分驚異。」他看過LIGO團隊的手稿，稿件並已刊登於《物理評論通訊》（Physical Review Letters）。「看到偵測器『原始』輸出中的波，沒有任何特殊的統計格式處理，超乎所有人的期待。」

LIGO團隊的科學家相信，信息是真的；事實上，他們計算過，誤報的機率每20萬年不會超過一次以上。對於團隊目前收集到的所有潛在重力波偵測，並不適用。團隊發現，至少還有一個候選信息，那是在去年10月12日偵測到的，是由合併的黑洞所產生，但科學家不敢斷言這不是誤報。

新紀元，外加其他搜尋

這次發現是科學家首次直接捕捉到重力波，並非首次證明重力波的存在。1974年，喬･泰勒（Joe Taylor）和羅素･赫爾斯（Russell Hulse）偵測到當時一種新的奇異天體﹕脈衝雙星，也就是兩顆中子星互相環繞運行。泰勒和赫爾斯確定，脈衝星的軌道收縮，並且了解唯一的原因就是重力波把能量帶離了系統。

這項發現證明了重力波的存在，泰勒和赫爾斯因此贏得1993年諾貝爾物理獎。

這裡的差別在於LIGO團隊直接觀測到地球上的重力波，這項發現將為天文學開創新的紀元，協助天文學家更進一步窺探宇宙。

以重力波來觀看宇宙，可能類似科學家首次以紅外線、X光或微波觀看天空。數千年以來，天文學家以可見波波長觀看天空；人們可以看到恆星和行星，觀看它們在天際移動。但是紅外線宇宙充滿炙熱、含塵量高的星團，那裡正是恆星誕生之地；X光宇宙可見恆星屍體；微波宇宙充滿大霹靂的熱遺跡。以重力波觀看天空，同樣將為天文學帶來革命性的影響。

身為普林斯頓大學天文物理學家的泰勒以黑洞為例指出，「電磁輻射並未讓我們如願以償，這是研究宇宙中遠距天體和現象的新方法。」「我們懷疑黑洞可能存在，我們已在銀河的中心看過黑洞的證據，如今我們將有直接偵測黑洞的方法，這和以往是很不一樣的。」

聆聽重力波

LIGO團隊觀測到，當兩個黑洞愈來愈接近，它們釋出重力波，頻率和振幅都增加，地球上收到的訊息像是鳥兒啁啾（chirp）。影片中最先的啁啾是重力波的頻率，接下來的啁啾頻率較高，比較適合人類的聽覺範圍。

不僅如此，在未來的數十年中，其他的實驗可能也會偵測重力波。其中一項名為「NANOGrav」，使用毫秒脈衝星－控制時間出奇精準－當作天然的重力波偵測器。隨著重力波穿越脈衝星，它們會短暫干擾脈衝星轉動的時機，因而留下證據記號，可在天際上追蹤。

LIGO團隊關注恆星質量激變所產生的重力波，和LIGO團隊不一樣的是，這些脈衝星轉動時機排列，將可偵測盤旋上升的超大質量黑洞所產生的更長漣漪現象。

另一個倡議中的實驗是發射重力波觀測器eLISA進入太空，屆時將對所有天體物理系統產生的波保持敏銳。然後，也有團隊志在尋找原始重力波，那是宇宙初期快速擴張時所產生的。2014年，BICEP2團隊宣布發現這些重力波，但訊息後來證明不確實。

重力波天文學要成為主流還要一陣子。但是，如果成真，迄今仍停留在數學範疇的這些極端、看不見的宇宙活動，將會進入可觀察的領域，平添全新的謎團，留待人類去解決。

撰文：Nadia Drake

編譯：編輯部