看見伴隨重力波的光:愛因斯坦相對論再次撼動世界

看見伴隨重力波的光:愛因斯坦相對論再次撼動世界
Credit: LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern University,http://www.ligo.org/detections/GW170817.php

我們想讓你知道的是

這是我們首次以兩種自然力的輻射──電磁波和重力波──同時測量到的天體。這代表我們能夠以兩種不同的物理基本力去看同一個物理現象,得以比從前更深入了解當中的物理過程。

撰文者:余海峯博士(物理雙月刊副總編輯,費米伽瑪射線太空望遠鏡研究團隊成員)

2017年10月16號,天文學家宣布已經探測到伴隨著電磁輻射的重力波。人類科學史將從此永遠改寫。

黑洞和重力波

重力波天文學的開創學者們已經獲得了科學界許多殊榮,包括獲頒2016年邵逸夫天文學奬的Ronald Drever、Kip S. Thorne與Rainer Weiss,以及2017年諾貝爾物理學獎的Rainer Weiss、Barry C. Barish與Kip S. Thorne。可惜的是,Ronald Drever已經於2017年3月離世。

重力波是愛因斯坦於1915年發表的廣義相對論預言存在的物理現象。廣義相對論指出時空曲率造成重力,當兩個互相環繞轉動的質量扭曲時空,就會造成時空中的漣漪──重力波。然而,即使由兩個幾十倍太陽質量的黑洞產生的重力波,在穿越了十幾億光年抵達地球後,亦會變得非常微弱,其波幅只有約萬分之一個質子直徑。只有非常精密的實驗才有可能探測到這極其細微的長度變化。

於2015年9月14號首個直接測量到的重力波叫做GW150914(即Gravitational Wave 15-09-14),其波源離地球約13億3千7百萬光年。它和之後再證實測量到的另外三個重力波事件GW151226、GW170104、GW170814的波源都是雙黑洞併合系統(binary black hole merger)。故名思義,雙黑洞併合就是兩個黑洞結合在一起的意思。

兩個黑洞互相環繞運行時,其極強重力會把時空扭曲成向外擴散的重力波,就好像兩艘互繞航行的船隻在水面造成的波動般。由於重力波帶有能量,不斷放出重力波的雙黑洞系統的能量就會逐漸流失,使它們越來越彼此靠近,最終併合為一,成為一個更巨型的黑洞。

兩個黑洞的距離越近,放出的重力波能量就越強。以現時頂尖科技,我們測量到的重力波都只是它們併合前一瞬間放出的。不過,單憑這丁點資訊,科學家已經能從中獲得大量關於波源系統的情報,包括它們來自天空中哪個方向、年代有多久遠,以及兩個黑洞的質量等等。

重力波和電磁波

一直以來,人類,呃不,正確來說應該是地球上存在過的所有生物,都只靠光線、聲波、接觸,甚或電場和磁場來得到關於這個世界、這個宇宙的資訊。而這一切感知方式背後,其實都依賴相同物理原理──電磁力。

天文學家並沒有觀察到來自這四次雙黑洞併合事件的任何電磁輻射。世界各地的光學和無線電望遠鏡、太空中的X射線和伽瑪射線望遠鏡等,都完全沒有測量到任何可能來自這些併合事件的電磁波。物理學家其實早已料到不會有任何電磁輻射,因為這些黑洞都重達十幾到幾十倍太陽質量,互相環繞運行了數以十億年計的時間,周遭物質早被吸收得一乾二淨。沒有物質,就沒有方法輻射電磁波。所以,這些結果其實是證實了物理學家的黑洞理論。

那麼,我們就不能期待會有同時放出重力波和電磁波的系統嗎?非也。如果該雙星併合系統的其中一方、或者雙方都不是黑洞的話,那麼雖然在併合後依舊會形成一個黑洞,但周圍就會殘留有併合過程中拋出的物質。這些物質會在黑洞周圍形成吸積盤(accretion disk)和噴流(jet),放出伽瑪射線、X射線、可見光以至無線電各種電磁輻射。

事實上,這正是所謂的短伽瑪射線暴(short gamma-ray burst, sGRB)的形成理論。伽瑪射線暴是一種突然爆發放出大量伽瑪射線的天體,依其爆發持續時間分為長短兩種,其中短的不超過兩秒。天體物理學家一直估計,短伽瑪射線暴是兩個中子星碰撞結合所產生的,稱為雙中子星併合(binary neutron star merger)。我本身亦從事伽瑪射線暴的研究,它們的形成和輻射機制是高能量天體物理學的未解之謎。

電腦模擬研究顯示,雙中子星併合或中子星-黑洞併合(neutron star-black hole merger)過程中會釋放出大量高能量伽瑪射線。同時,這些併合事件亦會放出重力波,因為中子星的重力亦非常強大,僅次於黑洞。

因此,物理學家期待位於美國的兩座激光干涉重力波天文台(Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory, LIGO)和歐洲的處女座干涉儀(VIRGO Interferometer)能夠探測到來自短伽瑪射線暴的重力波。電磁波加上重力波的雙重資訊,將能夠幫助天體物理學家解開伽瑪射線暴的袐密。

歷史上,人類首次間接探測到重力波就是依賴雙中子星系統的。1974年,麻州大學的Russell Alan Hulse 和 Joseph Hilton Taylor, Jr.以無線電天文望遠鏡發現雙中子星系統PSR B1913+16的互繞公轉週期會逐漸遞減,衰減率與廣義相對論預測的數值吻合。Hulse和Taylor亦因此獲頒1993年諾貝爾物理學獎。不過,這方法只算間接探測到來自雙中子星的重力波,亦未能幫助到伽瑪射線暴的理論研究。

重力波與光聯手 改變歷史的發現


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TNL Research(關鍵議題研究中心)透過網路問卷進行疫情期間民眾飲食自評調查,為大家解析日常飲食習慣是真健康、還是隱藏健康危機。

防疫關在家已經夠悶了,悶熱的盛夏來臨更讓人心情煩躁,不少人得靠喝飲料、吃點心才能維持好心情,但能讓人幸福快樂的美食,吃多了也可能埋下疾病的種子,甚至讓人到老都病痛纏身。西方俗諺:「You are what you eat.」,意思是你吃什麼食物,你就會變成什麼樣子,那麼究竟台灣人普遍「把自己吃成什麼樣貌」呢?TNL Research(關鍵議題研究中心)在2022年6月進行的「飲食習慣調查」,收集360位30-55歲台灣民眾的飲食習慣,為大家解析日常飲食習慣是真健康、還是隱藏健康危機。

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Photo Credit: TNL Research

本次調查中,有72.8%受訪者人自認飲食習慣健康,然而從後續問答中發現,不少自認健康的受訪者,飲食生活其實潛藏著NG危機!這些自認飲食習慣健康的受訪者中,有31.1%常喝乳酸菌飲料、29.8%常喝果汁,這些看似比手搖飲、酒精飲料相對健康的選擇,其實都是含糖量很高的飲品。

你以為的健康飲料真的健康嗎?糖讓健康離你而去

一罐170ml的乳酸菌飲料含有26g的糖,已超過一般人每日糖量建議攝取上限50g的一半;一杯250ml的蘋果汁則含有25g的糖,卻沒辦法提供與同重量蘋果相同的營養價值,而長期喝這些飲料,很可能攝取過多糖分而不自知。

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Photo Credit: TNL Research

在日常生活看似健康卻隱藏高糖份的食物,還有含糖豆漿、番茄醬等,都可能成為健康的陷阱食物。雖然糖能刺激腦部產生多巴胺,讓心情感到愉悅,但過多的糖分不只使人肥胖,更會造成代謝症候群,讓高血壓、高血脂、糖尿病、腦中風等疾病的風險增加數倍之多!根據國健署統計的國人三高盛行率,18歲以上國人有25.2%比例人口有高血壓、22.5%有高血脂,高血糖則有11.5%,要能夠健康地被排除在三高之外,其實並不容易,不可不慎!

宵夜、點心都是多吃的,吃多負擔跟著多

在本次調查的受訪者中,幾乎人人都有吃點心的習慣(97%),且以餅乾小點、洋芋片為最首要的選項;其次在吃宵夜習慣的調查中,即使是自認健康的受訪者,也有54.6%會吃宵夜。這些點心、宵夜,多半是三餐之外額外攝取的食物,對身體來說已經是額外的熱量,而宵夜最熱門的品項前三名,分別是油炸食物、泡麵、滷味,正分別是高油、高鈉的代表食物,容易造成身體負擔;

高油食物容易使人攝取過多飽和脂肪,會增加血栓、中風、心臟病等心血管疾病的罹患機率,也增加大腸癌風險;高鈉食物則會讓腎臟排鈉負擔增加、身體水腫,也會增加高血壓的風險,進而造成心血管的傷害與疾病,這些美味但不健康的食物,久久吃一次無妨,常常吃可對健康不妙。

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Photo Credit: TNL Research

即使是看似健康的水果,吃多了一樣攝取過多熱量的風險,例如吃下一整顆芒果,就可能相當於吃了一整碗白飯的碳水化合物含量。縱使日常努力防範,如果不好好注意飲食習慣,就同樣是讓自己暴露在疾病的風險之中。

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Photo Credit: TNL Research

在忙碌生活中,能夠自己親自調理健康食物的受訪者比例很低,且隨著疫情興起的外送平台服務,讓消費者即使在家也能購買各式各樣的外食。超過八成受訪者(84.2%)每週吃一次以上的外食,每週超過五次外食的受訪者則高達28.6%。縱使盡可能留意自己所吃的食物,但在外食中常見的食材如貢丸、百頁豆腐、五花肉片等也都含有較多的脂肪,這些食材設下的陷阱,也可能讓人不知不覺攝取過多油脂。

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Photo Credit: TNL Research

正確飲食觀念,為自己的未來做好萬全準備

根據國家發展委員會推估,2025年台灣將邁入「超高齡社會」,屆時將有五分之一的國民為65歲以上的長者,而長者比例也會隨著我們的變老持續增加!人人都會變老。隨著壽命越來越長,想要一生之中常保健康又快樂,謹記「You are what you eat.」,現在就要吃對食物,為自己的未來做好萬全準備。簡單的小訣竅,就能讓人享受美味同時擁有健康。首先謹記「天天五蔬果」,每天吃三份蔬菜與兩份水果,補充天然維生素、礦物質、膳食纖維,既能幫助排便,也不用額外花錢買營養保健品;其次,想吃炸雞、烤肉,不必忌口,只要將頻率降到最低,少吃就能更健康,還能讓美味顯得更珍貴。

另外,喜歡吃點心喝飲料給自己一個痛快,或者大吃大喝感到特別療癒的人,更要留意日常飲食,盡可能避免靠飲食提振心情、消除煩悶,從源頭減少情緒性進食,也能避免從點心飲料中攝取過多的糖分,還給自己更健康的生活。

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