【科學講堂】科學家覓方法 量度神奇重力波

宇宙廣闊而遙不可及，需要不同的方法來觀測當中的不同事物。2015年初次測量到的重力波，正好就是一個可供科學家們善用的缺口。顧名思義，重力波源於物體的重力場，當物體在空間中移動，會改變附近的重力場。這些改變往往就會以波浪的形式向四方發散，形成重力波。

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，重力場會影響時間和空間，所以我們可以經由準確地量度時空去測量出重力波。近年亦有科學家開發量度重力波的不同方法，今次就和各位分享一下。

重力波從哪裏來？

重力對時空的影響極其微小，所以量度到的重力波，都與宇宙中的「龐然大物」有關：黑洞、中子星在靠近的時候，會因為重力吸引、互相盤旋而慢慢融合在一起；這整個過程就會發散出重力波。2015年發現的重力波，就來自兩個黑洞融合的過程。

現在我們是怎樣測量重力波的？現今位於美國的雷射干涉重力波天文台（LIGO）和位於意大利的室女座（Virgo）干涉儀都運用了激光，能夠準確地測量到空間的改變，所以可以偵測到重力波造成的空間改變。至今LIGO和Virgo干涉儀已記錄了超過100次重力波。

不過，LIGO跟Virgo干涉儀只可以量度頻率在100赫茲至1,000赫茲的重力波。黑洞、中子星在整個融合過程中會相互盤旋得愈來愈快，會發散出頻率愈來愈高的重力波，現今的LIGO與Virgo干涉儀，就只能夠測量到盤旋最後階段發出的重力波。如果可以量度到更多不同頻率的重力波，我們就能夠有更多的手段去探索宇宙的秘密。

較重的黑洞在融合尾段所發出的重力波頻率大約是1赫茲，是LIGO和Virgo干涉儀量度不到的範圍。原子干涉測量術（atom interferometry）也許就能處理這個問題，科學家們先準備一條垂直的真空管，再在真空管不同的高度放下原子，然後用激光測量它們在重力的影響下下跌的情況，假如正好有重力波經過影響了附近的重力場，就會量度出跟預期不同的下跌情形。

研究人員已試驗了10米長的初步模型，現正在建造100米長的模型做進一步測試。

近年，科學家們開發了另一個方法：利用脈衝星計時陣列（Pulsar Timing Array）去測量重力波。脈衝星是中子星的一種，它們極其穩定地高速旋轉，因此會向我們發出十分穩定的訊息。當重力波在它們附近經過，就會因時空的改變，使得向我們發出的訊息產生些微的偏差。

只監察一顆脈衝星或許不足以讓我們推斷出重力波的存在，因此科學家們就監察了銀河系中一系列的脈衝星，以求從這些脈衝星信號不同的轉變中演算出重力波的動向，換個角度來看，這個方法是在用整個銀河系來測量較低頻率（周期長達數十年）的重力波。

雖然還談不上有所發現，但世界多個不同的研究團隊已經在脈衝星數據中找到一定線索，正在共同合作分析數據，期望盡快發表研究結果。

小結

宇宙中的事物多姿多彩，如果單是運用光去看，或許只能觀看其中的一小部分。希望日後可以開發出更多測量重力波的方法，我們就能夠從更多的角度去觀察宇宙了！

◆杜子航 教育工作者

早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。