爱因斯坦在发布相对论时，同时预测了重力波的存在，此后人们便不断地在寻找重力波存在的证据；而在2015年首度观察到重力波，人类多了一项工具观察宇宙，也就是重力波天文学的诞生。本文采访了中研院物理所研究员吴建宏，让学者以研究角度解释重力波的原理，并说明人类将如何从“观察重力波”变成“使用重力波”，探测宇宙的根源。
若说起近年科普界最红火的关键字，绝对少不了“重力波”。重力波爆红的原因，无非是位于美国的激光干涉仪重力波观测站（LIGO）在2015年首度观察到来自一场黑洞整合事件引起的重力波，并于2017年获得诺贝尔物理奖的肯定。重力波到底是什么？和黑洞又有什么关系？2019年中研院院区开放日，中研院物理所吴建宏研究员的精彩演讲“利用重力波探测宇宙黑洞”，要跟大家聊聊重力波大小事。
重力像水波一样？重力波到底是什么？
宇宙万物之间都有重力，比如说，地球是因为具有重力，才能把我们“吸”当地表上；太阳是因为具有重力，才能让八大行星不断绕着它公转。
不过，爱因斯坦的广义相对论中，认为重力是来自空间的扭曲，质量愈大的物体，周围的空间就扭曲的愈厉害。而当物体加速度前进时，则会使空间的扭曲发生变化、产生“涟漪”，这就是“重力波”。吴建宏形容：“就像水中的涟漪那样，水波是依赖着水而存在，重力波则是依赖着空间而存在。”
既然宇宙中有那么多天体，而且质量大的也不少，可以想象我们所处的“空间”到处都是重力波，一点也不平滑，反而可能像处处水波荡漾的大池塘，真是颠覆主动！
既然重力波到处都是，为什么在爱因斯坦1916年提出重力波之后，我们相隔了约一百年，才终于通过LIGO找到了它存在的证据呢？
因为重力波能引起的“波动”非常的小，科学家估计即使是剧烈的天体整合事件，能引起的重力波所造成的空间扰动，传递到地球时，数量级也顶多只有10-12比1，换算下来，一个一公里长的物体，因为重力波而造成的改变量只有千分之一个原子核直径那么长而已，也难怪爱因斯坦在提出重力波之后，曾说过“我们可能永远测量不到重力波的存在。”不过，幸好如此，我们才不会感觉自己一下子变矮、一下子又变胖，对吧？
尽管连爱因斯坦都没把握测得到，但不要小看科学家的斗志。既然波动很小，我们就设计超级精密的仪器来测量它！在科学家大无畏的精神下制造出的LIGO，精确度数量级硬是高达了10-22！
在爱因斯坦提出重力波的一百年后，我们终于找到了重力波存在的证据。
LIGO的完美L：科学家如何放大重力波的扰动？
科学家是怎么做到的呢？答案就在LIGO超特别的设计里。LIGO包含了一组相互垂直、呈L形的两根管子，每根管子的长度都是四公里。一开始，从交角处出发的激光光，会被分光镜分成两道，各自沿着两根管子前进，再由管末的反射镜反射回来。激光光来回反射四百趟之后，会在交角处会整合互相干涉。
在没有重力波的情况下，从两根管子回来的激光光走的路程长度完全相同，在干涉过程中会彼此抵消，不会产生信号。但如果重力波引起空间扭曲，就可能对两根管子的长度产生影响，拉伸或压缩了一点点，两道激光光的光程就会有些微不一样，回到交角处时的相位也会有一点点差异，这一点点的差异就足以让LIGO精密的干涉仪器产生干涉信号，让科学家知道：“嘿！刚刚有重力波经过这里！”
换言之，尽管重力波能产生的空间扰动超级小，但LIGO把激光光的光程拉得超级长，尽可能把重力波造成的空间扰动放大到可观测的程度，然后等待足够大的重力波来临时，就是我们窥探它的好机会。
终于看见了！观测到黑洞整合惊呆了科学界
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整合的过程，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“黑洞整合”及“中子星整合”了。以下是以计算机模拟两个黑洞整合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。恒星依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、质子都被重力压缩整合成中子，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“通用点”，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，如果彼此互绕又整合，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，信号就来自距离地球约13亿光年的一次黑洞整合事件，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整合事件引起的重力波，还在2017年8月首次观测到由中子星整合事件引起的重力波！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整合事件的观察结果，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，组成波霎定时长组（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，科学家可以通过观察这个微小的时间差来搜索重力波。
另一方面，欧洲太空总局预计在2030年发射“激光干涉仪太空天线”（LISA），包含三个太空船，彼此相距250万公里，利用和LIGO类似的设计，从彼此间传递的激光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整合事件，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，宇宙中的黑洞整合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消息，例如整合事件中的黑洞质量及自旋，完整的传提交来。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整合的事件，这或许可以对于“超大质量黑洞”起源提供佐证。
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照片的主角──M87星系中心的黑洞，更是高达65亿倍太阳质量。这些大得让人无法想象的黑洞，起源一直令人好奇。目前主流认为，它们是由普通黑洞彼此不断整合而逐渐形成的。
另一方面，重力波也有望在吴建宏目前所研究的“太初黑洞””（primordial black holes）课题上，提供重要的协助。
太初黑洞最早是1970年代由霍金所提出，指的是宇宙刚刚形成时产生的黑洞。当时宇宙还没有任何天体形成，只有一些物质分布，有些地方分布得比较致密，就可能塌缩产生黑洞。
这些太初黑洞和目前所知的黑洞不太一样，质量可以非常的小，只有1012公斤，大约是地球上一座冰山的质量。因为黑洞会不断放出辐射而蒸发，这么小的黑洞，蒸发速度很快，如今应该几乎都消失了。
那么，重力波如何能帮忙找到太初黑洞呢？关键是：太初黑洞是早期宇宙中物质分布比较致密的地方，在形成时物质的分布是不对称的。如前面所说，不对称的系统会放出重力波。尽管这些小小的黑洞可能都蒸发消失了，但曾经发出的重力波不会消失。如果太初黑洞数量够多，产生的重力波叠加起来，我们应该有机会观察得到。换句话说，重力波能够为太初黑洞的存在与否提供佐证。
太初黑洞可能很迷你，却留下了永远不会被抹灭的重力波信号。
总之，重力波的研究才刚刚开始，但物理学家们都非常看好，引颈期盼它能带来更多惊喜！