2018年1月28日 星期日

重力波、中子星、LIGO

去年(2017)年初答應老師接下了6月底在中央大學天文研習營介紹重力波的一場演講。不料,年輕有為的bubu不僅準備當爸爸,暑假前全家就要暫遷到加拿大繼續相關的研究工作,把他準備好的投影片keynote講稿也寄了過來。雖然以前看過許多文獻,最近幾年並沒有特別追蹤重力波偵測技術的最新進度。天文學會年會排在5月中,國際天文聯合會亞太地區會議排在7月初,日本重力波干涉儀KAGRA國際會議也在5月下旬湊上一腳,再加上原本的暑期學生計畫,真是忙得不可開交。雖然擺脫不掉雜務,要略過資料蒐集時看到的那些有趣的科學內容也不大容易。總想在閱讀當中找些有意思的題目來深入研究一番。

2015年重力波的發現是件大新聞,社裡一直想要做個專輯。 LIGO當年9月15日偵測到的信號分析結果,一直等到2016年2月中才發表。 學界慶祝廣義相對論一百周年的活動還沒有完全結束,有許多評論介紹重力波歷史與研究的好文章顯然來不及寫下這百年來的關鍵突破。 2015年10月底,索恩教授(Kip S. Thorne)還接受中研院物理所和中華民國重力學會的邀請,來台參加慶祝活動、學術研討會,並舉行電影《星際效應》科普演講。 許多本地的書迷和影迷都拿到教授的親筆簽名。仔細看這簽名的日期(29 Oct 2015),LIGO團隊可能還在緊鑼密鼓的研究新發現的重力波信號呢!

撇開自己半個圈內人的主觀看法,不少媒體都看好重力波研究會拿下2017年的諾貝爾獎。 當然也有些人並未完全信服。畢竟,如此微弱的信號,有許多可能出錯的空間;例如地表大氣和電離層的 Schumann resonances 對干涉儀信號的可能影響,就曾經是被懷疑的對象。 年初的想法是,不如等到10月初諾貝爾獎公布,算是相關研究得到全球公認的里程碑,再一口氣把故事寫完整。 如果LIGO偵測的重力波信號確實來自外太空,依照目前估計的雙星碰撞發生頻率, 持續觀測一兩年所得到的結果必然可以進一步支持這樣的結論。 LIGO與Virgo早先有一項政策, 大意是在大約四次重力波事件的研究報告論文正式發表後,他們會將比較可信的重力波信號偵測結果迅速公開, 使全球的天文學家甚至業餘觀察者都可以進一步追蹤重力波的來源。在此之前,相關報告只提供給正式簽約參與後續追蹤的學者或組織。 隨著重力波事件GW150914、GW151226、GW170104的發現與確認,時機也越來越成熟。

錯過第一次重力波事件的歐洲Virgo干涉儀,在2017年8月1日再度加入聯合觀測的行列。Advanced LIGO/Virgo的第二個觀測期(O2) 預定在8月底結束,依照原先進度進行設備的升級,進一步提高偵測的靈敏度。 (LIGO目前的靈敏度和Advanced LIGO設計預估的目標之間仍有3倍的差距。) 然而,3座干涉儀的聯合觀測還不到一個月, 網路上的傳言已經滿天飛。
8月25日,LIGO宣布第二個觀測季結束,得到了令人「非常興奮」的結果。
9月27日,重力波事件GW170814的結果正式發表,這是Virgo的第一個重力波事件,而且,由於Virgo的加入, 重力波來源方位的不確定性縮小到先前的十分之一。但是,眾多望遠鏡搜尋仍然沒有看到特別的事件。
10月3日,LIGO計畫的三位關鍵人物獲得了 2017諾貝爾物理獎
10月11日,LIGO/Virgo合作團隊與美國國家科學基金會NSF宣布在10月16日將舉行盛大的記者會, 出席的還包括全球70多個天文台代表,要「討論重力波天文學的最新發展」。歐洲夥伴也將同時與位在智利的歐南天文台ESO連線,同步舉行記者會。 這是國際合作研究獲致重要成果發表時的典型做法,新聞稿與學術論文全球零時差上線公開。
10月16日,全球多個團隊正式發表第一個中子星碰撞的重力波事件GW170817, 以及同時間觀測到的伽瑪射線爆GRB 170817A的全電磁頻譜觀測結果。
2017/09/282017/11/01中子星碰撞事件公布前後, 從GCN Circular Archive目錄上的截圖(snapshot)也彷彿可以看到全球天文學家追蹤同一目標的熱情。

通常,這類的成果發表會伴隨著一兩篇已經被知名期刊審稿接受準備搶先在線上出版的學術論文。 這回包括了跨領域的 《Nature》《Science》、 天文物理專業的 《Astrophysical Journal Letters》 都同時刊出多篇相關主題的研究論文, 加上公開發表在arXiv.org預印本檔案庫的論文,或許有近百篇研究報告一夜之間上線, 一時之間還不大能全部消化。和接收到的微弱信號相比,這次事件震撼科學界的程度顯然比諾貝爾獎更吸引眾人目光。

短文評論〈重力波獨白落幕,多角觀測閃亮登場〉 刊登在《科學月刊》576期(2017年12月)2017諾貝爾獎特別報導。 由於科月評論篇幅有限,關於美國國家科學基金會(NSF)和LIGO計畫初期的一段故事背景,則用加長版的方式添加在結語之前, 〈重力波獨白落幕,多角觀測閃亮登場--重力波、中子星與LIGO 〉 一文刊登在《科技報導》433期(2018年1月)的時事評析, 這裡也提供加長版的初稿, 完稿時間在2017年,刊出的版本已經做了修正。 撰稿之際看到許多有趣的資料,不能一一呈現在簡短的篇幅裡。 譬如,加州理工在西元1998年訪問 巴利許(Barry Barish) 和2000年訪問魏斯(Rainer Weiss) 所完成的口述歷史,可以上網下載閱讀, 一窺計畫關鍵人物當中的兩位諾貝爾獎得主在LIGO硬體即將完工啟用之際對於整個重力波計畫的看法和回憶。 又像是長期關注重力波實驗的社會學者Harry Collins,在2004年出版的 《Gravity's Shadow: The Search for Gravitational Waves》一書, 也描述了一些計畫初期的各種困難和考量,包括美國國會的聽證會、NSF和其他非干涉儀的重力波計畫等等。 這些八卦故事在短文評論最後雖然一語帶過,在可見的將來恐怕還是會伴隨著這重大的科學發現,呈現更完整的歷史。