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發現重力波! 愛因斯坦百年預言證實 (趙煦老師研究群)

美國的雷射干涉重力波偵測站 (Laser Interference Gravitational Wave Observatory, LIGO)於美東時間2月11日 上午十時三十分,在美國華盛頓特區以及義大利卡西納(Cascina)同步召開記者會宣布偵測到重力波。這是人類第一次直接偵測到物理界的聖杯「重力波」,更是物理界近百年來最重大的發現之一。本所教授趙煦老師的研究團隊,是唯一參與的台灣團隊,見證歷史性的一刻。

LIGO位於路易西安那州以及華盛頓州的兩個偵測站,2015914日國際時間上午951分前後相距7毫秒,分別偵測到重力波訊號,並經歷四個月嚴謹的數據檢查而確認。此次偵測到的重力波來源是兩個黑洞的合併,一個黑洞具有29個太陽質量,另一個黑洞具有36個太陽質量,合併時以重力波的形式釋放出相當於3個太陽質量的能量,來源距離地球13億光年,位於南半天。

趙煦教授表示,愛因斯坦於1915年發表廣義相對論,認為重力現象是有質量的物體對時空產生的扭曲,並在1916年預測大質量的物體劇烈運動時,時空的扭曲將以重力波的方式傳播。但愛因斯坦當時認為,遙遠的宇宙中星體劇烈運動產生的重力波傳到地球非常微弱,不可能在地球上偵測到。

1974年美國科學家侯斯 (Russell Hulse) 與泰勒 (Joseph Taylor) 偵測到波霎雙星,並用重力波能量消散解釋波霎雙星週期改變的現象,間接指向重力波的存在,獲得1993年諾貝爾物理獎。在愛因斯坦1916年發表重力波預測的整整一個世紀後,LIGO直接偵測到重力波並且證實,意義格外重大。

此次重力波的發現具有三層重大意義:第一是直接證實重力波的存在;第二是直接觀測到雙黑洞合併的運動;第三是開啟了以重力波為觀測媒介的天文學;未來和電磁波天文學搭配,將大幅擴展人類探究宇宙之窗,對目前天文學、宇宙學的發展具有莫大的意義,人類對大自然的終極探究活動又邁進一大步。

趙煦教授表示,這次共有15個國家、90個組織參與LIGO此次重力波的發現與證實,已經撰寫成論文,並已獲《物理評論通訊》(Physical Review Letter) 接受。在這個里程碑的論文裡,趙煦團隊及清華大學均被列為共同作者,此外,我國科技部也被列在致謝名單當中,是我國參與國際合作研究的典範之一。

趙煦教授所領導的清華團隊,包括研究生 潘皇緯、郭令智、黃書于、鄭鈞 (以及 林祈宏、吳孟筠、蘇宏凱、陳信傑、康乃中、何軒宇、許惠真、吳漢、歐政勳、黃文正、王薇雅、王順錦、李家暐、謝鎮州、莊友杭、宋欣忠),為唯一參與LIGO科學合作聯盟的台灣團隊。清華團隊的主要研究工作領域及貢獻,在於降低雷射反射鏡的熱擾動雜訊以提高偵測器的靈敏度,讓觀測儀更能觸及微弱的重力波,並致力於下世代更靈敏的低溫反射鏡的研發。

趙煦教授指出,重力波偵測器的雜訊在100赫茲頻段必須低於10-23,雷射反射鏡是其關鍵組件之一。清華團隊利用自製的離子束濺鍍機以及熱擾動測試設備,致力於LIGO科學合作聯盟的反射鏡多層干涉薄膜的研發工作,並創新的將國家奈米元件實驗室的半導體製程技術引進這項研發工作,使臺灣堅強的半導體製程實力,在下一世代的低溫重力波偵測器研發中提供重要貢獻。清華團隊的研究工作受到科技部以及清華校方的大力支持。

此次重力波的發現與證實,已刊登於Physics Review Letter, vol 116, 061102 (2016)。 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102

LIGO 觀測站

實驗設備離子束濺鍍機

雙黑洞系統

 

 

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