27 November 2020
二零二零年九月二日
LIGO和Virgo成功觀測迄今最重雙黑洞合併引發的重力波
中大為香港唯一參與是次研究的院校


國際科學合作組織激光干涉儀重力波觀測站(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory Scientific Collaboration,簡稱LIGO)和處女座重力波團隊(Virgo Collaboration,簡稱Virgo)宣布探測到由兩個具理論上不允許的質量之黑洞合併所產生的重力波。這是科學界首次觀測到中介質量黑洞,是次發現被稱為GW190521,兩篇相關研究論文已在《物理評論快訊》期刊(Physical Review Letters)和《天文物理期刊》(The Astrophysical Journal Letters)發表。香港中文大學(中大)物理系黎冠峰教授和Juan Calderon Bustillo教授率領香港唯一參與LIGO研究工作的團隊,深入參與此發現的研究。

黑洞是時空中吞噬一切的區域。黑洞的密度極高,一個質量如同太陽的黑洞只有九龍般大。愛因斯坦在百多年前曾預言,兩個黑洞相撞時會產生時空中的漣漪,稱為重力波(gravitational waves)。自2015年起,完成升級工作的LIGO探測器(Advanced LIGO)和Virgo探測器已探測到數十次雙黑洞合併事件,讓科學家得以研究黑洞如何形成及其在宇宙的分布。

中介質量黑洞的首次觀測

科學家已知黑洞有兩種不同類別。第一種是只有太陽數倍質量的恆星黑洞,例如Advanced LIGO和Virgo過往所觀測到的黑洞。這些黑洞是恆星在演化後期耗盡燃料後無法承受自身重力而塌陷的天體。另一種是質量可達太陽數十億倍的超大質量黑洞,存在於幾乎所有星系的中心,包括人類所在的銀河系,它們會吞噬任何接近的物體。這些「星際巨人」如何形成仍是科學界的未解之謎。為破解這謎題,科學家推測宇宙存在質量介乎這兩種類別之間的第三種黑洞類別—中介質量黑洞。科學家一直無法證明它們的存在,GW190521的發現正是對這種神秘物體的首次觀測。

經過仔細分析Advanced LIGO 和Virgo探測器所探測到的GW190521訊號,數據顯示這個訊號是由兩個分別約85個太陽質量和66個太陽質量的黑洞合併發出。這次合併產生了一個142個太陽質量的黑洞,其餘九個太陽質量的物質則在數百毫秒內轉化成重力波,使得合併事件所釋放的光度超出了整個可觀測宇宙所有星系的光度總和。

利用黑洞進行的星際考古

Calderon Bustillo教授表示:「這次觀測是Advanced LIGO 和Virgo最震撼和令人興奮的發現之一。我們第一次觀測到中介質量黑洞,各種令人著迷的奧秘和挑戰亦隨之而來。就像恐龍化石一樣,我們可透過黑洞進行星宿間的考古,進一步了解恆星的誕生和死亡。」

黎冠峰教授則表示:「如果我們對恆星演化的認知是正確的話,這次相撞的兩個黑洞質量太大了,它們是不可能由恆星塌陷形成的。這可能意味著合併前的兩個黑洞,也是由其他黑洞合併而成的。這個發現非常有趣,因為這是我們一直以來推斷超大質量黑洞的形成機制之一。」

對愛因斯坦的理論的測試及其他未知領域的探索

黑洞的合併通常分為三個階段,並在各階段發出特有的訊號。首先,兩個即將合併的黑洞會圍繞對方旋進,然後合併成為一個形狀扭曲的新黑洞。最後,這個黑洞會釋放出稱為衰盪(ringdown)的特定訊號,並趨向穩定的最終狀態。「這有如鈴鐺發出的聲音,使我們從中得知合併後的黑洞的特性。我們也利用了在此次觀測中尤為清晰的衰盪訊號,來測試愛因斯坦的重力理論。這個訊號與愛因斯坦的理論並無矛盾。」黎教授解釋道。

不過,科學家仍未完全了解這個黑洞的形成。Calderon Bustillo教授解釋:「雖然我們假設這些訊號是由相互繞轉然後合併的黑洞所形成,但礙於這次事件中牽涉的巨大質量,我們無法清楚地觀測黑洞合併前的訊號。因此,我們不能完全確認合併前發生的事。讓我們十分興奮的是,這容許我們探索其他的可能性和更新奇的機制去解釋這個最終黑洞如何形成。」

激光干涉儀重力波觀測站LIGO

LIGO由美國國家科學基金會(簡稱NSF)斥資資助,並由加州理工學院和麻省理工學院運作。這兩所院校共同構思和帶領Initial and Advanced LIGO projects等一系列研究工作。Advanced LIGO的資助主要由NSF帶領,並得到德國馬克斯·普朗克學會(Max Planck Society)、英國科技設施委員會(Science and Technology Facilities Council)和澳洲研究局(Australian Research Council)全力支持。

世界各地超過1,200位科學家和百多所院校參與了LIGO科學合作組織的研究,當中包括GEO合作組(GEO Collaboration)及澳洲干涉引力天文協會(Australian Collaboration OzGrav)。其他合作夥伴可參閱以下連結: http://ligo.org/partners.php

處女座重力波團隊The Virgo Collaboration

Virgo團隊由超過280位物理學家和工程師組成,他們分別屬於20個不同的歐洲研究團隊,包括法國國家科學研究中心(CNRS)的六個研究團隊、意大利國家核物理研究所(INFN)八個研究團隊、荷蘭國家次原子粒子物理研究所(Nikhef)兩個研究團隊、匈牙利TA Wigner RCP、波蘭POLGRAW研究小組、西班牙瓦倫西亞大學,以及歐洲引力天文台(EGO);位於意大利比薩附近的Virgo探測器正是由EGO負責運作,並由CNRS、INFN和Nikhef資助。

(Image credit: Deborah Ferguson, Karan Jani, Pablo Laguna and Deirdre Shoemaker)
GW190521模擬圖 - 目前最重的雙黑洞合併

黎冠峰教授及Juan Calderon Bustillo教授(左上一至二)的研究團隊。