臺北市立天文科學教育館

2015年9月14日，雷射干涉重力波天文台（LIGO）首次直接偵測到重力波，這個訊號以光速行進約13億年才抵達，但它並不是光，而是一種全新的訊號：時空的漣漪。這一歷史性發現意味著人類首次能透過第四種方式感知宇宙：電磁波（X 射線、可見光、無線電波等）、宇宙射線、微中子，以及時空重力波。

更靈敏的探測

如今，LIGO平均每三天就能偵測到一次重力波訊號。LIGO與位於義大利的Virgo及日本的KAGRA合作，組成LVK重力波偵測網路。迄今為止，該合作已捕捉到約300次黑洞合併事件，僅在第四次科學觀測期LVK就發現超過 200個黑洞合併候選事件，數量是前三次總和的兩倍。

LVK偵測數量的突破源自數十年的技術改良，包含前沿的量子工程技術。LIGO偵測到的時空變化非常微小，能測到比質子直徑小萬分之一的變化，這比人類頭髮直徑還小700兆倍。

圖說：LVK十年偵測資料（2015-2025）。偵測結果主要為黑洞合併，但其中也包含少數涉及中子星的事件。截至目前的第四次科學觀測期，LVK已發現約220次合併事件，是前三次（共90次）的兩倍以上。迄今為止距離最近的事件發生於第二次觀測期，是一個名為GW170817的中子星雙星合併，距離僅1.3億光年。圖中初始天體的總質量以點的大小表示，而訊號強度則以顏色區分。隨著時間推進，不僅能偵測到更多黑洞，還能以更高的訊噪比捕捉訊號。Credit: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

最新最清晰的信號

LIGO靈敏度的提升體現在最近發現的黑洞合併事件GW250114。這個事件與 LIGO首次發現的GW150914相似，皆為兩個質量為太陽30─40倍的黑洞在13億光年之外合併。但經過十年來儀器雜訊降低的技術進步，GW250114的訊號清晰得多。

圖說：2015與2025年間LIGO的降噪成效。上方為2015年LIGO首次偵測到的重力波事件GW150914，下方為2025年捕捉到的GW250114。綠色線條則是基於廣義相對論的最佳模型預測，紫色線條代表實際數據（重力波訊號與背景雜訊的總和）。Credit: LIGO/J. Tissino (GSSI)/R. Hurt (Caltech-IPAC)

研究人員透過迄今最清晰的訊號驗證了基本物理定理：黑洞熱力學的面積定理，由霍金於1971提出，指出黑洞的總表面積不能減少。在這次事件中，兩個黑洞的初始表面積總和約24萬平方公里，合併後的新黑洞表面積則達40萬平方公里，表面積明顯增加。

這類分析中最棘手的部分在於確定合併後黑洞的最終表面積。合併前黑洞的表面積更容易被偵測到，因為合併時的黑洞會螺旋式地旋轉，但在黑洞合併後訊號就沒那麼清晰了。在這個所謂的振鈴階段（ringdown phase），最終形成的黑洞會像被敲擊的鐘一樣振動。研究人員分析GW250114並改進數據模型，這讓他們能清晰辨認出兩種不同的重力波衰減模式，就像鐘被敲響時的兩種不同音色，進而計算出黑洞的質量與自旋，並確定其表面積。

突破極限

過去十年，LIGO與Virgo也捕捉到中子星的碰撞。最著名的是2017年的千新星，一對中子星合併釋放出黃金與重元素，並被全球數十台望遠鏡捕捉到從伽馬射線到無線電波的電磁波信號，這是史上首次與重力波關聯的多信使天文學觀測。如今，LVK 繼續向天文學界發出關於潛在中子星碰撞的預警，天文學界隨後利用望遠鏡在天空中搜尋千新星的跡象。LVK還發現黑洞與中子星合併、非對稱的黑洞合併、最輕的黑洞（挑戰質量間隙），以及迄今最巨大的黑洞合併。

LIGO 的技術成就自1980年代開始，包括PHD雷射穩定技術（如今應用於原子鐘、量子電腦）、幾乎完美的鏡面鍍膜、突破量子極限的量子壓縮工具，以及 AI降噪方法。這些技術是量子工程的支柱，未來可廣泛應用於量子電腦與偵測器。未來，LVK計劃進一步升級機器，並在印度建立第三座LIGO，提升事件定位精確度。更長遠的計畫包括40公里長的Cosmic Explorer與愛因斯坦望遠鏡（Einstein Telescope）（位於地底下，長度超過10公里以上的干涉儀），這些規模的天文台預計將能捕捉宇宙最早期的黑洞合併。（編譯／王庭萱）

資料來源：LIGO Lab