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Shaw Prize in Astronomy 2016
2016年度「邵逸夫天文學獎」平均頒予羅奈爾特.德雷弗(Ronald W P Drever)、基普.索恩(Kip S Thorne)和雷納.韋斯(Rainer Weiss),以表彰他們對「激光干涉儀重力波觀測站」LIGO的構思和設計。LIGO最近首次直接觀測到重力波,為天文探索開創了一個新方法,而首先偵測到的非凡事例為兩個恆星級質量的黑洞合併。
 
Ronald W P Drever Kip S Thorne Rainer Weiss
Ronald W P Drever Kip S Thorne Rainer Weiss
 

得獎人簡介

 

羅奈爾特.德雷弗

羅奈爾特.德雷弗(Ronald W P Drever)1931年出生於英國格拉斯哥,為美國加州理工學院物理學榮休教授。1953年於英國格拉斯哥大學取得理學士學位,並於1958年於該校取得自然哲學博士學位。他在加州理工學院分別擔任客座硏究員(1977)、教授(1979-2002)和榮休教授(2002- )。他是美國人文與科學院院士及愛丁堡皇家學會院士。

基普.索恩

基普.索恩(Kip S Thorne)1940年出生於美國猶他州洛根市,為美國加州理工學院費曼理論物理學榮休教授。1962年於加州理工學院取得物理學學士學位,並於1965年於美國普林斯頓大學取得物理學博士學位。1966年回到加州理工學院,最初擔任研究員,1967年至1970年為副教授,1970年為理論物理學教授,1981年至1991年為威廉.凱南講座教授,1991年至2009年為費曼理論物理學講座教授,自2009年起為費曼理論物理學榮休講座教授。他是美國國家科學院院士及美國人文與科學院院士。

雷納.韋斯

雷納.韋斯(Rainer Weiss)1932年出生於德國柏林,現為美國麻省理工學院物理學榮休教授。1955年和1962年分別於美國麻省理工學院取得物理學學士和物理學博士學位。他曾於美國塔夫茨大學分別擔任導師(1960-1961)和物理學助理教授(1961-1962),之後於1962年至1964年期間在美國普林斯頓大學擔任物理學研究員。隨後,他加入美國麻省理工學院物理系任教,於1964年至1967年為助理教授,1967年至1973年為副教授,1973年至2001年為教授,自2001年起為榮休教授。他是美國國家科學院院士及美國人文與科學院院士。

 

突破性的發現

 

2015年9月14日,激光干涉儀重力波觀測站(LIGO)的兩個探測器同時觀測到一個重力波信號。該信號的波形,與廣義相對論預測一對黑洞合併所產生的重力波形吻合。科學家估計合併前的黑洞質量分別約為太陽的29和36倍,合併在13億年前發生。約三倍太陽質量的物質,在瞬間轉化成重力波。觀察結果表明與恆星質量相約的雙黑洞系統確實存在,這亦是首次直接探測到重力波及首次觀察到雙黑洞合併。

羅奈爾特.德雷弗、基普.索恩及雷納.韋斯是負責構思和設計LIGO的核心人物。LIGO最近直接探測到重力波,為物理學開創了一個新方法,去研究極強引力下的現象,當中巨大質量的天體以接近光速運動,在時空中產生非線性波動。

LIGO的發現被譽為天文學上最重要的發現之一,其重要性可從多個角度說明。簡而言之,以往只能通過電磁輻射或高能粒子觀察宇宙,現在LIGO卻提供了第三個方法。因此,LIGO創建了一個全新的天文學分支,在完全缺乏其他天文信號的情況下,都能讓我們觀察和研究天文現象。這項新方法有著革命性的影響,猶如射電天文學當年出現,脈衝星和類星體才跟着被發現。

廣義相對論的一個基本預測是重力波的存在,而如今LIGO直接觀測到重力波,證明這種基於因果律的預測是正確的。然而,LIGO的發現的重要性不在於證實時空會呈現微弱波動,因為通過雙星系統內脈衝星軌道所呈現的衰減,這早已被間接地證實。其真正的意義在於:透過追蹤強大和隨時間變化的重力波來源,可揭示黑洞的特性。

Ripples in spacetime
黑洞合併時所產生的時空漣漪(計算模擬)。
Credit: R. Hurt/Caltech-JPL

Ligo in Hanford
激光干涉儀重力波觀測站(LIGO)的L形探測器
Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab

 

什麼是重力波?

 

1916年,愛因斯坦在廣義相對論中首次預測重力波—時空漣漪的存在。重力波以光速傳播。當巨大質量的天體互相圍繞運行或碰撞時,它們會擾亂周圍的時空,就像石頭扔進一潭靜水般。通過研究這些波,天文學家希望了解產生它們的天文現象,這些往往是由看不到的天體(如黑洞)所引致。重力波傳播到觀測站時,已經變得極為微弱,所以極難探測。

 

LIGO運作原理

 

當重力波經過時空,會令物體的位置產生極輕微但可被探測的變動。LIGO的設計就是利用了這個原理:它的兩個檢測器每個具有雙臂,形成直角,共設有三面反射鏡,雙臂的盡頭各設一面,而另一面則安裝在雙臂的相交位置。雙臂長度相同,激光由鏡子反射到光電探測器。正常情況下,激光在雙臂運行的距離相同,LIGO的設定讓激光在中心相遇時,它們的光波的相位剛好相反,因而互相抵消,沒有光到達光電探測器。當重力波穿過檢測器時,其中一臂將變得稍長,而另一臂將變得稍短,於是通過雙臂運行的兩束光會出現相位差。當兩束激光相遇,這樣的相位差便形成干涉圖案,揭示了重力波的存在。

檢測器的雙臂越長,激光所走的距離越遠,儀器對長度的改變便越敏感。LIGO的目標是測量雙臂長度少於質子大小10,000倍的變化。它臂長四公里,激光來回反射約280次,才與來自另一臂的激光匯合,這樣可使激光行走的距離增至1,120公里,顯著提高檢測器的靈敏度。兩個相同的探測站分別設於美國華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓,等待由雙星系統或超新星爆炸所造成的重力波。兩站相距超過3,000公里,以確保局部地區的震動,例如小型地震所產生的震動,不會被誤以為是由重力波所引起。

LIGO technician
LIGO技術人員檢查其中一個干涉儀的鏡子。
Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab

The interferometer of LIGO
LIGO的干涉儀

 interferometry
正常運作時(黃色),分別來自LIGO兩條管道的兩束光相遇,兩組光波互相抵消,結合起來變成黑暗。如果重力波改變了兩條管道的相對長度(藍色),兩組光波將會有所不同,結合起來將會顯示探測到信號。