中大研究 | 引領全球準備首次的多信使引力透鏡探測
  • 2025-09-02 16:05

 （上圖）雙黑洞定位原理：利用 LVK 觀測雙黑洞合併事件產生的引力波，識別出對應該合併事件的星系透鏡，成功的定位將有助研究黑洞合併，亦可能實現暗物質的定位（圖片來源：香港中文大學 @Laura Uronen） 

香港中文大學正透過國際合作，致力實現多信使引力透鏡事件的首次探測。多信使指不同類型的宇宙訊號，主要包括引力波、電磁波、中微子等。國際團隊將利用不同方法、包括中大提出的透鏡化雙黑洞定位法。研究成果將推動人類的基本物理知識，包括引力的本質、宇宙學模型（如宇宙膨脹速率）、暗物質本性、緻密天體的研究等。

各國科學家已於 2024 年英國皇家學會 Theo Murphy 多信使透鏡研究研討會上，共同探討此新興領域。成果已彙編並刊登於《Philosophical Transactions A》，中大團隊參與撰寫了相關十六篇論文中的四篇。

論文：

Multi-messenger gravitational lensing

Gravitational-wave lensing detection

Finding black holes: an unconventional multi-messenger

Gravitational lensing: towards combining the multi-messengers

 

研究背景

來自遙遠天體的光線或引力波等信息，經過另一天體或天文結構時，其路徑會被引力扭曲，這就是引力透鏡現象。此前，科學家主要透過空間望遠鏡觀測到不同波段的光的扭曲。

隨着 LIGO-Virgo-Kagra（LVK）引力波觀測合作計劃展開、智利 Vera C. Rubin 天文台 Legacy Survey of Space and Time（LSST）南天巡天望遠鏡、Euclid 空間望遠鏡等先進儀器的出現，多信使天文學研究的新路徑打開。多信使指不同類型的宇宙訊號，主要包括引力波、電磁波、中微子等。中大物理系助理教授 Otto Hannuksela 博士及團隊已率先開展引力波的引力透鏡現象。

Otto Hannuksela 博士

在 LVK 合作計劃中，Hannuksela 博士已重點分析雙黑洞合併事件所產生的引力波數據，尋找引力透鏡效應的指標，包括波形變形、訊號重複等。一旦成功探測首例引力波的引力透鏡事件，並識別出對應的星系透鏡系統，透鏡定位將成為精準定位黑洞合併的唯一方法，若合併事件伴隨其他電磁對應訊號，未來更將有助開啟基礎物理的全新研究。

例如，AT2017gfo（GRB170817A/GW170817 的千新星（kilonova）對應體）發現以來，最大未解之謎之一是早期藍色千新星輻射的物理起源，如果能够快速識別出經透鏡放大的千新星的第一張影像，而其與第二張影像的到達時間差大約是一天，就可以對千新星早期紫外輻射的上升過程及物理起源提供最强約束。此外，如果透鏡化伽馬射綫暴（GRB）的到達時間差落在秒至小時尺度，在第二張透鏡影像到達時，系統極有可能仍對第一張影像所在天區進行觀測，這樣不僅能獲得伽馬射綫數據，還能在 X 射綫、光學、射電波段同時觀測到其輻射，構建多波段的瞬變光譜能量分布（SED）。

研究現況

現時 LVK 正在進行的第四輪觀測（O4），預計將探測到數百個引力波事件，中大團隊將與英國樸茨茅斯大學宇宙重力研究所、比利時魯汶大學、荷蘭格羅寧根大學、荷蘭國家粒子物理研究所、烏特勒支大學等機構合作。這些院所將利用中大團隊提出的透鏡化雙黑洞定位方法，共同搜尋引力波的引力透鏡指標，及預測未來在引力透鏡效應下將會發生的引力波事件。

科學界預期，首例多信使引力透鏡現象的發現，很可能在未來十年內實現，相關的準備工作需在未來三至五年內完成。最顯而易見的跨領域挑戰是：把一些定位不確定度較大的信使（如引力波和伽馬射綫暴）的透鏡化而發現的緻密雙星合併事件，精確定位至 ≲1 角秒，即引力透鏡及其宿主星系的典型角尺度。

 

來源：香港中文大學、The Royal Society

 

 

 

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