儘管愛因斯坦的廣義相對論已有一世紀多歷史，但仍是我們理解重力與時空的最佳工具並成功度過每次挑戰。
廣義相對論時空會隨著物質或能量存在而彎曲，彎曲時空則告訴物質如何運動。與任何有彈性的表面一樣，時空不只會彎曲也會震動並產生漣漪，稱為重力波。愛因斯坦於1916年根據廣義相對論預言重力波存在，直到2016年LIGO（雷射干涉重力波天文台）宣布人類首次直接觀察到重力波。
約半個世紀前，理論學家注意到重力波穿過時空後有可能會對時空造成永久形變！這種不可恢復的變化被稱為重力記憶效應，換句話說，時空「記得」每次改變。
▲ 重力波通過平面時，平面位移量與重力波的振幅成正比，重力波通過後，由於重力記憶效應會產生永久位移。（Source：Keefe Mitman et al. (2024)）
重力的記憶效應有兩種：線性的記憶效應（由質量分布變化產生，例如超新星爆發）與非線性的記憶效應（由重力波輻射本身引起，即重力波可以產生重力波），其中非線性的記憶效應與廣義相對論中的非線性特性具有密切關聯，最讓科學家們感興趣的是非線性的記憶效應在不遠的將來就有可能被探測到。
非線性記憶效應的訊號主要集中在低頻率（<10Hz），現有的地面干涉儀的靈敏度在此頻段較差，且地球的地質活動和環境噪音在低頻率非常顯著，掩蓋了記憶效應的訊號。6月論文指出，未來啟用太空重力波天文台LISA專門尋找低頻率重力波，提供高於地面干涉儀的訊噪比，尤其針對超大質量黑洞合併的記憶效應。
▲ LISA（Laser Interferometer Space Antenna）由歐洲太空總署（ESA）主導，包含三顆衛星，位於距地球約5千萬公里的日心軌道形成一個邊長約250萬公里的等邊三角形，利用雷射干涉技術探測三顆衛星之間微小的相對距離變化（小於氦原子核直徑）測量重力波對時空的壓縮和拉伸。LISA於2024年通過任務審核，預計於2035年發射。（Source：University of Florida / Simon Barke (CC BY 4.0)）
這並非說地面干涉儀就沒有辦法探測到記憶效應。由於記憶效應會產生永久的變化，將大量的變化累積在一起後就有可能探測到足夠的變化量證實記憶效應的存在，但這有賴長時間累積的數據。從2015年LIGO啟用至今，LIGO-Virgo-KAGRA（LVK）團隊已確認約200次重力波事件，未來升級地面干涉儀的靈敏度可望探測到更多的數據。
探測重力記憶效應不僅可以檢驗現有理論正確性（如廣義相對論和量子重力），還能進一步揭示宇宙深層結構和未知物理現象。隨著探測技術的不斷進步，記憶效應的研究有望在宇宙學、天文物理學和基礎物理學中開創全新的研究方向。
（本文由 台北天文館 授權轉載；首圖來源：shutterstock）
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