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重力波是怎么产生的 重力波和引力波( 二 )


看见了！ 黑洞在合并
当然，尽管我们用 LIGO 这样的仪器做了万全的准备，要看到「足够大」的重力波，还得有天时地利的帮助才行 。重力波虽然可以穿透万物，不像光一样容易被挡住，但若波源太远，波的强度还是会随着距离逐渐减弱，所以得有一个距离地球不太远，又能产生明显重力波的波源才行 。
此外，要产生重力波，需要天体系统在旋转时的「轮廓」产生变化，也就是这个系统本身的外观愈不对称愈好 。如果是一个球状对称的天体在自转，或者天体很平均的向内塌缩，是不会产生重力波的 。反过来说，一个双星系统彼此绕行最后合并的过程，由于双星位置一直变换，整个系统的不对称性高，因此产生的重力波就会比较明显，所带出的能量也会比较大，相对容易观测 。既然如此，最可能产生重力波的事件，就莫过于「黑洞合并」及「中子星合并」了 。以下是以计算机仿真两个黑洞合并事件以及在过程中发出的重力波 。
黑洞和中子星都可以是恒星老年死亡后塌缩下的产物 。恒星倚赖核心的物质进行核融合反应，来抵抗自身重力，一旦迈入老年，内部的核融合燃料渐渐减少，就会抵抗不了重力，整个球体往内塌缩成更小的球体 。如果恒星的质量够大，最后会在一场「超新星爆炸」后，留下中子星，其中所有的电子、质子都被重力压缩合并成中子，可以想见重力有多么巨大！ 如果要形成黑洞，需要的重力又比中子星的更巨大，连中子都被压缩，形成一个密度无限大的「奇异点」，位于黑洞中心，它是一个以目前的物理还无法解释到底是什么的「点」 。
黑洞与中子星是宇宙中密度最大及次大的天体，如果彼此互绕又合并，放出的重力波一定有机会看得到 。果不其然，2015 年 9 月，LIGO 团队首度侦测到的重力波，讯号就来自距离地球约 13 亿光年的一次黑洞合并事件，两个黑洞的质量分别约为 36 倍太阳质量和 29 倍太阳质量 。这个结果让全世界的物理学家都震惊了，因为这是重力波真正存在的第一个铁证！
接下来的两年内，LIGO 及 VIRGO 又陆续观测到三次黑洞合并事件引起的重力波，还在 2017 年 8 月首次观测到由中子星合并事件引起的重力波！ 由于中子星会放出可见光，科学家利用其他望远镜对这次的合并事件的观察结果，也得到许多珍贵的新发现，例如重金属元素的形成 。
LIGO 与 VIRGO 并非世界上仅有的重力波探测计划 。科学家会利用分布世界各地的无线电波望远镜，组成波霎定时数组（PTA），由于波霎就像极为精准的灯塔一样，隔着固定的时间间距放出无线电波，因此，如果波霎受到重力波的影响，导致放出的无线电波传递到地球的距离有了一点点改变，就会使它来到地球的时间提早或延迟一点点，科学家可以透过观察这个微小的时间差来搜寻重力波 。
另一方面，欧洲太空总署预计在 2030 年发射「雷射干涉仪太空天线」（LISA），包含三个宇宙飞船，彼此相距 250 万公里，利用和 LIGO 类似的设计，从彼此间传递的雷射光干涉结果来寻找重力波 。这几个重力波探测计划针对的重力波频率各有不同，因此可以找到不同的重力波源，重力波的频率愈低，愈可能是质量愈大的黑洞或中子星合并事件，因为系统所占空间愈大，彼此绕行一圈要花的时间也愈久，放出重力波的周期也跟着愈长 。
重力波：探索天文的新神器
在探寻重力波的路途上，黑洞扮演着重要的角色，宇宙中的黑洞合并事件让我们有了窥探重力波的机会 。反过来，在科学家证实重力波的存在，并且一次次探测到重力波之后，也准备利用重力波来研究天文，这是因为重力波在传递过程中，不会受到任何物体的干扰，不像光或粒子容易被挡住，所以重力波可以将波源的讯息，例如合并事件中的黑洞质量及自旋，完整的传递出来 。因此，重力波是研究黑洞、甚至是其他天文课题的好工具 。
「在我们千辛万苦找到重力波之后，重力波反转角色，从被观察的对象，变成研究天文的好工具 。」
举例来说，从重力波的观测，我们看到了许多双黑洞合并的事件，这或许可以对于「超大质量黑洞」起源提供左证 。
多数黑洞的质量落在几十个太阳质量的范围，通常是恒星死亡所造成，然而宇宙中有许多质量比这大很多的超大质量黑洞，例如银河系中心的黑洞有 400 万倍太阳质量，前阵子由中研院天文所拍摄到首张黑洞


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