用雷射「聽」宇宙：走進 LIGO 重力波天文的第一線

如果有一天，你可以不用看星星的光，而是改用「聽」宇宙的震動去了解黑洞、超新星，甚至宇宙大爆炸的回音，會是怎樣的體驗？這就是重力波(Gravitational Waves)為我們開啟的新時代。2015 年，美國雷射干涉重力波天文台 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) 首次直接偵測到來自兩個黑洞合併的重力波，這是愛因斯坦 1916 年廣義相對論(General Relativity)的百年預言終於被證實的一刻。這篇文章會以帶你一步步理解 LIGO 是怎樣用雷射去「量度比原子核還要細的變化」，把看不見、摸不著的宇宙事件，變成科學上可分析的訊號。

什麼是重力波？用日常比喻認識時空的「漣漪」

重力波就像時空中的漣漪，源於大質量天體的加速運動——例如兩個黑洞互相繞行最後合體。想像在維多利亞港的海面拋下一顆石頭，水面會出現一圈圈擴散的波紋；重力波也是類似的波紋，不過它不是在水上傳播，而是直接在時空本身傳播。當重力波通過地球時，它會令空間在某個方向被拉長、另一個方向被壓短，但幅度小到令人難以置信——大概是 10^-21 的量級。這是什麼概念？如果你把地球到最近恆星的距離(約 4 光年)當作尺，重力波引起的改變可能只有原子核大小。LIGO 就是為了量度這種極微小的長度變化而設計的儀器。

LIGO 是什麼？兩座巨大「L」形尺的精密協奏

LIGO 有兩個觀測站：一個在美國華盛頓州的漢福德(Hanford)，另一個在路易斯安那州的利文斯頓(Livingston)。每個站都有一個「L」形的干涉儀(interferometer)，兩條臂臂長各 4 公里。雷射光被分成兩束，沿著兩條彼此垂直的真空管道來回反射數百次(利用法布里–珀羅腔 Fabry–Pérot cavity 增加等效光程)，最後在分光器彙合並互相干涉。如果兩條臂的長度完全一樣，雷射波峰與波谷會安排得剛好互相抵消，探測器看到的是近乎「黑」的訊號。一旦有重力波通過，兩條臂會被拉長與壓短，破壞了原本的相消條件，讓光強度出現微小變化，LIGO 就能把這個變化轉化為時間序列的數據。

為什麼要用雷射干涉？從「尺規」到「相位」的精準飛躍

要量度 10^-19 公尺等級的長度變化(約是質子直徑的千分之一)，傳統尺規當然不夠。雷射干涉法利用了光是波的特性，以相位(phase)來當尺度。當臂長有極微小的改變，就會在干涉圖樣上造成可測的亮暗變化。選用 1064 奈米的紅外雷射(來自鎖頻的非線性光學系統)，再加上超穩定的光學架構和懸吊鏡面，使得 LIGO 能把光學相位噪音降至極低。簡單說：用光的「波紋」比對光程差，能做到比任何金屬或石英尺更穩定、更細緻的量度。

核心零件：鏡子、真空與懸吊系統的神級工程

要讓 4 公里長的光路像小提琴弦一樣穩定，是工程與物理的雙重挑戰：

• 高品質鏡面(mirrors/test masses)：每塊約 40 公斤的超低吸收熔融石英鏡面，表面鍍上多層介電材料，多年打磨拋光到原子級平整，確保光損耗極低。
• 超高真空系統(ultra-high vacuum)：光路在約 10^-9 大氣壓的巨大真空管中，減少空氣分子造成的散射與折射變化。這是地球上最大規模之一的長程真空系統。
• 多級懸吊(suspension)與隔振(isolation)：鏡子不是固定在地基，而是透過多層擺錘與主動隔振平台與地面「隔離」，把地震、車流、海浪引起的微動降到最低。哪怕是遠處卡車的震動、甚至太平洋浪湧，都可能影響偵測。
• 雷射與鎖頻控制(locking and control)：以龐雜的伺服系統把干涉儀「鎖」在最佳工作點，確保長時間穩定運作，避免光學腔發散或失鎖。

雜訊從哪來？從地震到量子極限

LIGO 的靈敏度曲線像一座山谷：低頻端(約 10–30 Hz)被地動噪音(seismic noise)與牛頓重力噪音(Newtonian noise)主宰；中頻(數十到數百 Hz)受鏡子與懸吊的熱噪音(thermal noise)限制；高頻端(上百到上千 Hz)則被雷射的散粒子噪音(shot noise)與光學讀出限制。除此之外，還有：

• 磁場與電噪音：會微妙地作用在感測器與控制線路上。
• 人為活動：附近道路車流、風機、甚至是研究人員的腳步，都可能成為可觀的擾動。
• 量子極限(quantum limit)：量子力學告訴我們，量測本身會帶來擾動。強化雷射功率可降低高頻的散粒子噪音，但同時增加輻射壓力噪音(radiation pressure noise)影響低頻。如何在二者間取得平衡，是精密量測的核心課題。

近年的先進 LIGO(Advanced LIGO) 以擠壓光(squeezed light)技術，改變光場的量子漲落分佈，在不「違反」量子力學的前提下，巧妙地把噪音壓低，提升靈敏度。

第一聲「啵」：GW150914 的發現

2015 年 9 月 14 日，一個只有 0.2 秒的「啵」(chirp)訊號幾乎同時出現在兩個台站：兩個約 36 與 29 太陽質量的黑洞，在 13 億光年外合併，釋放出約 3 個太陽質量等值的能量，全都以重力波形式在幾十毫秒內輻射掉。這個事件被命名為 GW150914。對科學界來說，這是三重勝利：

• 證實重力波存在，驗證廣義相對論在強重力場的預言。
• 證明大質量雙黑洞(binary black holes)族群確實存在，且比原先想像更常見。
• 開創「重力波天文學」(gravitational-wave astronomy)：以重力波作為全新訊息載體，補足電磁波觀測看不到的黑暗宇宙。

聽見中子星的「交響」：多信使天文學(multimessenger)

2017 年的 GW170817 來自雙中子星(neutron stars)合併，LIGO 與歐洲的 Virgo 干涉儀一起偵測到重力波，天文台們隨即在電磁波各波段(γ 射線、X 射線、光學、紅外、射電)同步追蹤，觀測到千新星(kilonova)現象，證實宇宙裡的金、鉑等重元素多半在這類事件中合成。這是多信使天文學的里程碑：重力波給我們「時間與位置的警報」，電磁波提供「現場照片與化學細節」。

LIGO 如何「定位」天空位置？為什麼需要全球網絡

單一台站只能量到「有波來了」，卻很難知道從哪個方向來。兩個以上的台站，利用到達時間差(time-of-arrival difference)與振幅、偏振特性，就能在天空上畫出誤差環。當美國的兩座 LIGO 加上歐洲 Virgo、再加上日本 KAGRA，甚至未來的印度 LIGO-India，整個三角定位能力大幅提升。這就像在城市中用多個手機基地台做定位：台站越多，誤差越小，天文學家就能更快把望遠鏡指向正確的天區。

數據是怎樣被「聽」出來的？從原始干涉訊號到科學事件

LIGO 的資料分析是一門結合物理、統計與計算科學的高難度工作：

• 模板比對(template matching)：用廣義相對論計算出的「波形模板」(waveform) 與資料做匹配，找出隱藏在雜訊中的訊號。這稱為匹配濾波(matched filtering)。
• 機器學習與突發搜尋(burst search)：針對未知型態的事件(如某些超新星塌縮)，用時頻圖(time-frequency)特徵或深度學習方法尋找異常。
• 品質控制(data quality)：監測環境通道(地震、磁場、雷射穩定度)以辨識非天體來源的假訊號。兩個台站的「同時一致」是關鍵。
• 統計顯著性(false alarm rate)：用時間偏移、背景估計等方法，評估事件是假警報的機率，確保每一次宣布都經得起檢驗。

從 STEM 到深度科技

你可能會問：這與我有何關係？其實，LIGO 所推動的技術，與香港社會的創新生態有緊密連結：

• 精密製造與材料科學：超低損耗鍍膜、超純材料加工，與半導體、光纖通訊、醫療成像密不可分。
• 資料科學與高性能運算(HPC)：從模板比對到機器學習，與金融風險分析、物流優化、智慧城市的演算法有共通語言。
• 量子科技：擠壓光、量子測量理論，正快速轉化為量子感測與量子通訊的應用。
• 跨國協作的人才培育：LIGO 是全球合作的典範，訓練學生在大型科研專案中磨練工程、軟硬體、數據與科學推理能力。

下一代計劃：更敏銳、更深入宇宙

現時 LIGO 不斷升級，包括更高功率雷射、更優鍍膜材料、更強的隔振系統與更成熟的擠壓光技術。更長遠來看，地面與太空的新一代重力波台站將把觀測推向不同頻段：

• Einstein Telescope(歐洲) 與 Cosmic Explorer(美國)：更長臂長(10–40 公里)與更深地底隔振，低頻靈敏度大幅提升，可觀測到更遙遠、更早期宇宙的黑洞合併。
• LISA(Laser Interferometer Space Antenna)：在太空中擺出數百萬公里級的三角形干涉儀，針對毫赫茲到赫茲以下的低頻重力波，偵測超大質量黑洞合併、白矮星雙星、甚至早期宇宙背景。

不同頻段好比不同音域：地面儀器擅長「高音」(百至千赫茲)，太空儀器負責「低音」(毫赫茲級)。合在一起，就像把宇宙交響樂從低音提琴到小提琴一次收錄。

科學的嚴謹：如何確保不是「看花眼」？

LIGO 在宣布每次新事件前，都會經過嚴格的交叉檢驗，包括：

• 兩台站同時一致性與相位對齊。
• 對環境通道的關聯性排除，例如是否同時有雷擊、地震、電源擾動。
• 獨立分析管線的重複驗證，使用不同數學方法得出一致結果。
• 與跨國夥伴(如 Virgo、KAGRA)共同比對。

這是科學可信度的基石：可重複、可檢驗、可質疑、也能被更好的數據推翻或完善。

從黑洞到基礎物理：能回答哪些深層問題？

重力波不只是「黑洞偵測器」，還是探索基礎物理的利器：

• 測試廣義相對論：檢驗黑洞佯諾定理(no-hair theorem)、波速是否等於光速、是否存在額外偏振模式。
• 致密天體物理：從中子星合併的波形推回物質狀態方程式(Equation of State)，了解核物質在超高密度下的性質。
• 宇宙學：大量事件的「標準警報器」(standard sirens)可用來量度宇宙膨脹率(Hubble constant)，為「哈勃常數之爭」提供獨立證據。
• 尋找新物理：例如原初黑洞、宇宙弦(cosmic strings)或早期宇宙相變造成的背景重力波。

把抽象變具體：一個生活化的想像實驗

試想像在香港搭港鐵，列車進站時，你手上的水樽會感到微微震動；但 LIGO 要尋找的是比這種震動小上億億倍的變化。它好比在吵雜的旺角街頭，嘗試用超敏耳機捕捉一隻蚊子在幾公里外輕輕拍翼的聲音。要做到這件事，除了耳機本身超級靈敏，還要隔絕所有背景噪音、建立精密的信號處理系統，最後才把那個「蚊子聲」從雜訊中抽絲剝繭，變成可以分析的科學資料。這就是 LIGO 的日常。

小測驗：三個常見迷思

• 重力波會不會把我們「拉扯」到受傷？——不會。通過地球的重力波振幅極微小，遠低於日常生活的任何力學擾動。
• 偵測重力波需要碰到黑洞嗎？——不需要。重力波在真空中傳播，LIGO 量到的是時空尺度的變化，不是直接「碰到」天體。
• 有沒有可能量錯？——LIGO 以多台站、多分析方法與嚴格的統計門檻把錯誤率壓低，並且與其他觀測(如電磁波)交叉驗證。

結語：用全新感官認識宇宙

人類過去幾百年仰賴眼睛(電磁波)看宇宙，如今終於裝上了「耳朵」(重力波)。LIGO 的出現，讓黑洞不再只是數學上的解答，而是能被「聽見」的天體；讓元素的誕生、時空的彈性、甚至基本物理的邊界，都有了新的探索路徑。對你我而言，這不只是一段華麗的科學故事，更是科技、工程與合作精神的結晶。