2016年度「邵逸夫天文学奖」平均颁予罗奈尔特.德雷弗(Ronald W P Drever)、基普.索恩(Kip S Thorne)和雷纳.韦斯(Rainer Weiss),以表彰他们对「激光干涉仪重力波观测站」LIGO的构思和设计。LIGO最近首次直接观测到重力波,为天文探索开创了一个新方法,而首先侦测到的非凡事例为两个恒星级质量的黑洞合并。
罗奈尔特.德雷弗 Ronald W P Drever
罗奈尔特.德雷弗 (Ronald W P Drever) 1931年出生于英国格拉斯哥,为美国加州理工学院物理学荣休教授。 1953年于英国格拉斯哥大学取得理学士学位,并于1958年于该校取得自然哲学博士学位。他在加州理工学院分别担任客座硏究员 (1977)、教授 (1979-2002) 和荣休教授 (2002- )。他是美国人文与科学院院士及爱丁堡皇家学会院士。
基普.索恩 Kip S Thorne
基普.索恩 (Kip S Thorne) 1940年出生于美国犹他州洛根市,为美国加州理工学院费曼理论物理学荣休教授。 1962年于加州理工学院取得物理学学士学位,并于1965年于美国普林斯顿大学取得物理学博士学位。 1966年回到加州理工学院,最初担任研究员,1967年至1970年为副教授,1970年为理论物理学教授,1981年至1991年为威廉.凯南讲座教授,1991年至2009年为费曼理论物理学讲座教授,自2009年起为费曼理论物理学荣休讲座教授。他是美国国家科学院院士及美国人文与科学院院士。
雷纳.韦斯 Rainer Weiss
雷纳.韦斯 (Rainer Weiss) 1932年出生于德国柏林,现为美国麻省理工学院物理学荣休教授。 1955年和1962年分别于美国麻省理工学院取得物理学学士和物理学博士学位。他曾于美国塔夫茨大学分别担任导师 (1960-1961) 和物理学助理教授 (1961-1962),之后于1962年至1964年期间在美国普林斯顿大学担任物理学研究员。随后,他加入美国麻省理工学院物理系任教,于1964年至1967年为助理教授,1967年至1973年为副教授,1973年至2001年为教授,自2001年起为荣休教授。他是美国国家科学院院士及美国人文与科学院院士。
2015年9月14日,激光干涉仪重力波观测站(LIGO)的两个探测器同时观测到一个重力波信号。该信号的波形,与广义相对论预测一对黑洞合并所产生的重力波形吻合。科学家估计合并前的黑洞质量分别约为太阳的29和36倍,合并在13亿年前发生。约三倍太阳质量的物质,在瞬间转化成重力波。观察结果表明与恒星质量相约的双黑洞系统确实存在,这亦是首次直接探测到重力波及首次观察到双黑洞合并。
罗奈尔特.德雷弗、基普.索恩及雷纳.韦斯是负责构思和设计LIGO的核心人物。LIGO最近直接探测到重力波,为物理学开创了一个新方法,去研究极强引力下的现象,当中巨大质量的天体以接近光速运动,在时空中产生非线性波动。
LIGO的发现被誉为天文学上最重要的发现之一,其重要性可从多个角度说明。简而言之,以往只能通过电磁辐射或高能粒子观察宇宙,现在LIGO却提供了第三个方法。因此,LIGO创建了一个全新的天文学分支,在完全缺乏其他天文信号的情况下,都能让我们观察和研究天文现象。这项新方法有着革命性的影响,犹如射电天文学当年出现,脉冲星和类星体才跟着被发现。
广义相对论的一个基本预测是重力波的存在,而如今LIGO直接观测到重力波,证明这种基于因果律的预测是正确的。然而,LIGO的发现的重要性不在于证实时空会呈现微弱波动,因为通过双星系统内脉冲星轨道所呈现的衰减,这早已被间接地证实。其真正的意义在于:透过追踪强大和随时间变化的重力波来源,可揭示黑洞的特性。
黑洞合并时所产生的时空涟漪(计算模拟)。
Credit: R. Hurt/Caltech-JPL
激光干涉仪重力波观测站(LIGO)的L形探测器
Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab
1916年,爱因斯坦在广义相对论中首次预测重力波—时空涟漪的存在。重力波以光速传播。当巨大质量的天体互相围绕运行或碰撞时,它们会扰乱周围的时空,就像石头扔进一潭静水般。通过研究这些波,天文学家希望了解产生它们的天文现象,这些往往是由看不到的天体(如黑洞)所引致。重力波传播到观测站时,已经变得极为微弱,所以极难探测。
当重力波经过时空,会令物体的位置产生极轻微但可被探测的变动。LIGO的设计就是利用了这个原理:它的两个检测器每个具有双臂,形成直角,共设有三面反射镜,双臂的尽头各设一面,而另一面则安装在双臂的相交位置。双臂长度相同,激光由镜子反射到光电探测器。正常情况下,激光在双臂运行的距离相同,LIGO的设定让激光在中心相遇时,它们的光波的相位刚好相反,因而互相抵消,没有光到达光电探测器。当重力波穿过检测器时,其中一臂将变得稍长,而另一臂将变得稍短,于是通过双臂运行的两束光会出现相位差。当两束激光相遇,这样的相位差便形成干涉图案,揭示了重力波的存在。
检测器的双臂越长,激光所走的距离越远,仪器对长度的改变便越敏感。LIGO的目标是测量双臂长度少于质子大小10,000倍的变化。它臂长四公里,激光来回反射约280次,才与来自另一臂的激光汇合,这样可使激光行走的距离增至1,120公里,显著提高检测器的灵敏度。两个相同的探测站分别设于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿,等待由双星系统或超新星爆炸所造成的重力波。两站相距超过3,000公里,以确保局部地区的震动,例如小型地震所产生的震动,不会被误以为是由重力波所引起。
LIGO技术人员检查其中一个干涉仪的镜子。
Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab
LIGO的干涉仪
正常运作时(黄色),分别来自LIGO两条管道的两束光相遇,两组光波互相抵消,结合起来变成黑暗。如果重力波改变了两条管道的相对长度(蓝色),两组光波将会有所不同,结合起来将会显示探测到信号。