天文學家首度建立宇宙再游離時期的變化時程表

重力波不只能提供星體的資訊！

說到重力波，一般人可能會想到黑洞、中子星、超新星這三個引發話題的星體。不過，只有在這些星體事件發生的「瞬間」，才會產生重力波，就像宇宙中的一場秀一樣。而當重力波通過後，就無法再偵測到這些資訊。

• 延伸閱讀：重力波很難懂？簡單明瞭的重力波捕獲現場——科學超抖宅報

譬如，LIGO 在 2015 年 9 月捕捉到的就是「來自 13 億光年外星體的重力波」。不過，和宇宙年齡相比，這其實是相對較年輕的星體事件。

我們有沒有辦法捕捉到很久很久以前，宇宙剛誕生時產生的重力波，也就是暴脹時期產生的重力波呢？

為什麼宇宙正在急速膨脹？

138 億年前，宇宙在超高溫、超高壓下，以「火球」的樣貌誕生，這就是所謂的「大霹靂」。在這之後，隨著宇宙的急速膨脹，溫度與密度逐漸下降，然後演變現在的樣貌。

這就是大霹靂宇宙論，也是目前多數學者支持的標準宇宙論。

那麼，為什麼會產生「火球宇宙」這個超高溫、超高壓的世界呢？為什麼宇宙不是一直保持原樣（不是保持相同大小），而是會急速膨脹呢？目前有一個較被接受的說法，那就是前面提過許多次的「暴脹理論」^註。

在這個理論中，宇宙初期並沒有任何物質或光，而是一個充滿能量的真空。透過這些真空能量，宇宙用比光速還快的速度，呈指數函數膨脹。

而在暴脹時期結束後，這些真空能量轉變成了光（火球），於是產生了超高溫、超高壓的宇宙，這就是所謂的大霹靂。

不過，如果空間中存在許多能量的話，應該會存在像重力這樣使空間收縮的力才對。為什麼空間會以超越光速的速度迅速膨脹，進入暴脹時期呢？

學者們用「暴脹子場」這種量子場中的真空能量，說明暴脹時期。

暴脹子場是個未證實存在的純量場。就目前而言，它的存在仍處於假說階段。

目前已知的純量場，譬如 2012 年時，由瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織 CERN 在 LHC 實驗中發現並發表，由希格斯玻色子產生的希格斯場。研究者們也因此而獲得 2013 年諾貝爾物理學獎，各位應該還記憶猶新。

137億歲的宇宙，至今仍然不斷膨脹

暴脹子場與希格斯場在質量與粒子的結合力上，都有著很大的差異。暴脹子場的真空中，會產生長時間的負壓。而這個負壓會造成宇宙加速膨脹。

這點與目前的暗能量機制十分類似。有人猜想暗能量可能是未發現的純量場。與暴脹時期相同，目前的宇宙中可能存在著未知純量場的真空能量，就像暗能量般，佔了全宇宙能量的 70％。

• 延伸閱讀：宇宙學的最大謎團！暗物質、暗能量組成超過90%的世界，卻仍無法探知他的真面目──《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》

宇宙中佔了 30％ 能量之物質，與佔了 0.1％ 的光會產生引力，但比不過真空能量所產生的斥力，所以目前宇宙正在加速膨脹。

順帶一提，即使物質與光的能量佔宇宙的 100％，宇宙也只是減速膨脹而已，並不會收縮回去。因為膨脹初期的速度過快，所以宇宙只會持續膨脹下去。

宇宙誕生的第一步——「原始重力波」

暴脹時期結束後，空間能量會迅速轉變成物質能量，使宇宙轉變成超高溫、超高壓、充滿輻射的狀態。這就是大霹靂「火球」。暴脹理論說明了幾點。

首先是前面提到的「膨脹速度超越光速的宇宙」。

這造成了我們現在看到的（宇宙視界內的）宇宙溫度擁有各向同性，在 10 萬分之 1 的精度下，為絕對溫度 2.723K（約 3K 的宇宙微波背景輻射（CMB））。

第二，這個急速膨脹，使宇宙的形狀在幾何學上變得相當平坦，就像膨脹的氣球一樣。

再者，暴脹子場的量子擾動，是宇宙初期物質擾動的來源，也就是3K宇宙微波背景輻射所觀測到的溫度擾動。暴脹子場也含有量子的擾動。這些小小的擾動在短時間內暴脹過程中，急速膨脹，延伸至宇宙視界的彼端，造成現今宇宙中不同區域的密度差異，這也是形成星系的種子。

CMB 觀測到的「溫度擾動」，正是暴脹時期產生之暴脹子場的量子擾動。

另外，在重力波方面，暴脹時期不僅會產生前述密度（溫度）的擾動，也會產生「時空擾動」。急速膨脹的過程中，真空會一直變化，成對產生重力子，這與黑洞周圍產生霍金幅射的機制類似。

學者們認為這種重力波現今仍存在，稱其為「原始重力波」。因為整個宇宙都存在這種重力波，所以也叫做背景重力波。若能檢出這種背景重力波，不只能成為暴脹理論的證據，也會是宇宙起源相關研究的一大步。

原始重力波就像是背景雜訊一樣，在宇宙四處飄蕩

黑洞雙星的合併會產生重力波，不過當重力波通過地球，被 LIGO 觀測到時，該事件便已結束。不只是黑洞，中子星雙星的合併、超新星爆發也一樣。

不過，暴脹時期產生的重力波並非如此。當時整個宇宙充滿了重力波。不過這種重力波就像白噪音般的存在，很難分析這種波的狀態，所以也叫做背景重力波。若依波的種類來分，可以將其算在駐波。如何找到這種駐波，是我們現在的課題。

與光波不同，重力波的偏振方式可以分成十字形（＋）與交叉形（×）2 種，如下圖所示。十字形的偏振會往縱向與橫向伸縮、交叉形偏振則會往斜向伸縮，如其名所示。這兩種波疊合後，會變成圖中右方的樣子，往外傳播。

隨著時間的經過，來自黑洞的重力波會持續前進；但暴脹時期產生的重力波為「背景重力波」，是一種駐波，就像噪音一樣充滿在整個宇宙中。如果能發現這種波，就能證明暴脹理論。

宇宙之窗：暴脹子場是什麼？

暴脹時期產生的「暴脹子場」究竟是什麼樣的東西呢？

重複一次，暴脹子場被認為是某種未知、很重的純量場，其質量上限在 10¹³GeV　以下。目前這個低能量宇宙中，已經不存在暴脹子場。即使透過粒子對撞，產生目前可達到的最高能量（數 10TeV，相當於數 10 京度的溫度），也沒辦法產生這種場。

每種基本粒子都有著伴隨其出現的「量子場」。

譬如希格斯場會伴隨著希格斯玻色子出現。就希格斯場這種純量場而言，其存在機率最高的期望值稱做場值（真空值），是希格斯玻色子的位置。而場值周圍存在所謂的量子擾動。這種量子擾動只有在微觀尺度下有意義。

在我們生活的巨觀尺度下，幾乎察覺不到任何量子擾動，所以我們平常的生活並不會意識到它們。

我們周圍有許多電路會用到二極體。在微觀尺度下看這些電路，會看到粒子般的電子周圍有量子擾動，這種量子擾動對二極體來說相當重要。

在這種量子擾動下，電流只能沿著電路中可跳躍量子擾動的方向流動，二極體才有如此特別的性質，可見量子論也是現代科技中的重要理論。

所以說，考慮初期宇宙中暴脹子場的量子擾動，可以知道當宇宙還很小時，暴脹並非在宇宙中的各個地方同時間發生。宇宙中各個地方開始暴脹與結束暴脹的時間都不一樣。

量子擾動會造成時間擾動，不過在暴脹這種急速膨脹後，會轉變成超越視界的古典擾動，所以我們會在巨觀視界下觀察到，各個地方都有著不同的密度。這就是所謂的「密度擾動」或「溫度擾動」。

總而言之，最初產生量子擾動後，隨著空間的急速膨脹而迅速延伸，轉變成了空間性的密度擾動。

備註

• 暴脹理論與大霹靂的名稱

1981 年，佐藤勝彥在大統一模型的框架下，提出真空相變會造成宇宙呈指數函數膨脹的理論。同年，古斯也發表了同樣的想法。自宇宙誕生的瞬間起（依大統一理論，約為 10⁻³⁸ 秒後～10⁻³⁶ 秒後）宇宙會以超越光速的速度，呈指數函數膨脹，然後轉變成大霹靂的「火球」宇宙。

1980 年時，為修正愛因斯坦的重力觀點，學者們提出了以指數函數膨脹中的宇宙。

而在 20 世紀初，多數學者認為「宇宙永遠不會改變」（宇宙穩態論），沒有開始，沒有結束，大小也永遠不會改變。不過宇宙穩態論的擁護者霍伊爾（Fred Hoyle）曾在某個廣播節目中說「宇宙的開始？那是大霹靂的觀點（the ‘big bang’ idea）」，於是「大霹靂」這個名稱就定了下來。

當時連愛因斯坦都相信宇宙穩態論，否定膨脹宇宙。不過在觀測結果陸續出爐後，哈伯（Edwin Hubble）、勒梅特（Georges Lemaître）等人成功說服了愛因斯坦接受宇宙正在膨脹。

——本文摘自《大人的宇宙學教室：透過微中子與重力波解密宇宙起源》，2022 年 6 月，台灣東販，未經同意請勿轉載。

• 作者 / 海諾．法爾克 （Heino Falcke）、約格．羅默（Jörg Römer）
• 譯者 / 姚若潔

在今天已經建立的宇宙模型中，我們對無限的窺視終止於大霹靂。大霹靂開啟了我們的時間和歷史；所有將會發生的事物都包含在裡面。大霹靂是一種超額的密集能量。我們現在看見的所有事物（所有形式的物質或能量，甚至我們自己），最終都可以追溯回到這份原始能量。

一個近乎無限小的空間忽然在 10−35 秒內指數膨脹。純能量和光的原始閃電誕生，基本粒子的量子糖漿從閃電中開始結晶成形。質子和電子形成，物質有了基本構成單元。過了三十八萬年，質子和電子配對形成氫，充滿了宇宙。物質和光忽然彼此區分，走向各自不同的道路。暗物質在自身的重力影響下變得集中：暗星系從大霹靂的殘骸中出現，並把氫聚集到自己周邊。星系就此形成，產生了發光的星星，創造出新的元素，並透過巨大的爆炸再度把這些元素擲回太空。

從這最早的恆星之灰中，誕生了新的恆星、行星、衛星與彗星。星辰的生命循環開始，最終也誕生出我們的地球。水落在地球上匯聚起來，加上星塵，形成了菌類、單細胞動物，還有植物。這些新生命改變了世界，大氣開始形成，雲朵綻開，動物演化。最後出現了人類，在日、月、眾星的俯視之下繁衍，征服地球，建造都市，瞭解世界、時間、太空，並寫了關於這一切的書——這都要感謝大霹靂帶來的宇宙級大騷動。

我們的宇宙竟然能夠運作，整件事實在太過驚人、太過不可思議。宇宙的產生就像是走在物理學的鋼索上，需要微妙的平衡。如果重力再強一點，恆星都會塌縮成黑洞；如果再弱一些，暗能量會使所有東西分崩離析。如果電磁力更強，恆星就不會發光。宇宙機制的各個齒輪彼此相互影響，而生命竟可能在此出現，是恆久以來最偉大的奇蹟。如果有人可以目睹大霹靂並預測自己將會從那堆混亂之中誕生，一定會被視為瘋子。物理學教科書不允許物質忽然開始思索自我，形成個性與觀點，甚至發揮創意——儘管如此，我們就在這裡。

這道謎題有個解釋相當受人歡迎，就是宇宙實際上不只一個，而是許多個，它們就像原野上的花朵那樣誕生又凋零，只是每個宇宙都略為不同。我們只是正好出現在這裡，生活在這一個誕生了生命的宇宙，因為這是我們唯一可見的宇宙。

我們能否更把思考尺度變得更大？我們有沒有可能在自己的宇宙裡找到古老宇宙的遺跡，例如兩個宇宙相互碰撞後留下的大型結構？我自己願意如此猜測：超超大質量（hypermassive）的黑洞有可能是古宇宙留下來的化石——畢竟，像我們這種宇宙最後殘留下來的，應該就是超超大質量黑洞。目前為止還沒有人找到任何證據。不過，也還沒有任何跡象顯示平行宇宙真的存在，可以讓我們觀測。

另外，只因為我們的宇宙非常不可能存在，就要推論「必定有許多宇宙存在，才讓我們宇宙的存在成為可能」，這樣的關聯不見得正確。如果我的鄰居中了樂透，不表示他一定已經買過百萬次彩券。我們頂多可以說自己正好住在那個真實幸運兒的隔壁。如果我們只買過一張彩券，又不太清楚它的運作方式，那我們並無法論斷買了彩券的人有多少——或者有多少宇宙存在。

由於無從得知多重宇宙的證據，倒是引出這樣的問題：多重宇宙的存在與否，究竟屬於物理學還是形上學的問題？我們既無法回溯得比自己宇宙誕生的奇異點更早，也無法看穿宇宙的邊緣。就算主張多重宇宙不只是妄想，而是真實的物理學，這個問題仍然未解：多重宇宙是哪裡來的？我們所做的，只不過是把自己的無知推到物理學的無人之境。

——本文摘自《解密黑洞與人類未來》/ 海諾．法爾克、約格．羅默，2022 年 1 月，天下文化。

編按：一九零五年，愛因斯坦剛完成狹義相對論，對此馬上失去興趣，因為他將視野放在更大的挑戰上，即廣義相對論。一九一五年歷史重演，當他完成重力理論後，隨即又將焦點放在企圖心更大的計畫上，即統一場論，希望結合希望結合重力理論與馬克士威的電磁理論，

有相對論和量子論已經很棒了，幹嘛還提統一場論？

到了一九二○年代晚期，相對論與量子論這物理學兩大支柱已經屹立不搖，人類對於物理世界的知識總和可由這兩項理論涵括。相對論是講非常大的理論，是大霹靂與黑洞的理論，而量子論是談非常小的理論，探討奇異的原子世界。雖然量子理論建立在違反直覺的想法上，但無人能否認該理論在實驗上的驚人成功。

實際上，諾貝爾獎如雪片般飛向願意應用量子理論的年輕物理學家。愛因斯坦是經驗老道的物理學家，絕不會忽略量子理論突飛猛進的進展；他沒有駁斥實驗上獲得的成果，也承認量子力學是「我們這個時代最成功的物理理論」。愛因斯坦並沒有阻礙量子力學的發展，雖然比較不入流的物理學家可能會這麼做（一九二九年，愛因斯坦還推薦薛丁格與海森堡共享諾貝爾獎）。相反地，愛因斯坦改變策略，不再攻擊這個理論不正確，他的新策略是將量子理論收進統一場論裡。

當波耳陣營砲轟愛因斯坦忽視量子世界時，他反擊說自己真正的目標極為宏大，是要將整個量子理論包納入自己的新理論當中。他拿自己以前的研究打比喻：相對論並未證明牛頓理論完全錯誤，只是顯示他不夠完整，可以再併入更大的理論當中。因此，牛頓力學在其特有的領域當中是有效的，也就是在小速度與大物體的領域內可以成立。同樣地，愛因斯坦相信量子理論對於貓可以同時又生又死的怪異假設，一定能夠以更高的理論來解釋。在這方面，有太多愛因斯坦傳記的作者沒能了解到這點。

愛因斯坦的目標不是像許多批評人士所宣稱，只想證明量子理論不正確，他老是被描繪成古典物理中最後一隻恐龍，年老的叛逆者卻發現自己變成反對的聲音。愛因斯坦真正的目標是要凸顯量子理論的不完整，並利用統一場論來使之完整。

統一場論的企圖：和相對論一起解釋物質起源

愛因斯坦的策略是利用廣義相對論與統一場論，來解釋物質本身的起源，亦即從幾何學中建造出物質。一九三五年，愛因斯坦與羅森研究一種新穎的方式，讓量子粒子（如電子）會成為其理論的自然結果，而非是基本的物體。他希望利用這種方式，可以不必面對或然率的問題而導出量子理論。在絕大多數理論中，基本粒子是以奇異點出現，也就是方程式變為無限大的地方。例如在牛頓的方程式中，力與兩物體間的距離平方呈反比，當距離為零時，引力會變得無限大，也產生了奇異點。因此愛因斯坦想從更深的理論中導出量子理論，他了解到自己需要一個完全沒有奇異點的理論（在簡單的量子理論當中，便可找到這種例子，稱為「孤立子」［soliton］，就像是太空中的結一般。這類孤立子非常平滑，不是奇異點，但卻會彼此碰撞反彈，並保持相同形狀。）

愛因斯坦與羅森提出一個新奇的方式，來促成這種解。他們一開始在兩張平行的紙上定義兩個史瓦茲卻德黑洞，然後用一把剪刀剪掉兩個黑洞的奇異點，再將兩張紙黏回在一起，便得到一個平滑、沒有奇異點的解了，愛因斯坦認為這或可代表次原子粒子。因此，量子粒子可視為微小的黑洞。（這個想法六十年後在弦論裡重生，有個數學關係式可讓次原子粒子轉變成黑洞，或讓黑洞變回次原子粒子。）

不過，這個「愛因斯坦–羅森橋」可從另一個角度來看，代表了科學文獻上第一次提到連接兩個宇宙的「蛀孔」（wormhole，舊多譯為「蟲洞」）。蛀孔是穿透空間與時間的捷徑，就像是通道或閘口，可連接兩張平行的紙張。將蛀孔的概念介紹給大眾的是牛津大學數學家查爾斯．道吉森（Charles Dodgson），他的筆名是路易斯．卡羅，也就是家喻戶曉的小說《愛麗絲夢遊仙境》與《鏡中奇遇記》的作者。當愛麗絲將手放進鏡子中，她進入連接兩個宇宙的愛因斯坦–羅森橋，一邊是夢境中的奇幻世界，一邊是牛津的鄉下地方，當然，我們後來知道任何掉入愛因斯坦–羅森橋的人會被強大的重力擠死，甚至是將體內的原子扯散；若黑洞是靜止的，則想要通過蛀孔到另一個平行宇宙是不可能的。（要再過六十年，蛀孔的概念才會在物理學中占居要角。）

最後，愛因斯坦放棄這個點子了，部分原因是他無法解釋豐富的次原子世界，他無法全部用「彈珠」來說明「木頭」的各種奇特性質，無法從理論推導出次原子的諸多特徵（如質量、自旋、電荷、量子數等等）。他原先希望能找到一幅圖象，讓統一場論能夠大放光采，但關鍵的問題在於，當時對於核力的特質所知太有限了。愛因斯坦超前時代數十年，後來威力強大的粒子對撞機才提供資料，釐清次原子物質的本質。因此，他從未找到這幅圖象。

本文摘自《愛因斯坦的宇宙》， 2018 年 11 月，時報出版。

INAF羅馬天文台（INAF Rome Astronomical Observatory）天文學家Adriano Fontana等人，利用歐南天文台（ESO）超大望遠鏡（Very Large Telescope）探索早期宇宙中，對紫外光而言變透明的階段，即所謂的「再游離時期（reionisation）」。再游離時期大約發生於130億年前；藉由小心測量一些最遙遠星系的狀況，這些天文學家首度能建立再游離過程的時程表，且證明這個階段必定發生得比天文學家原本設想的還快。相關論文發表在天文物理期刊（Astrophysical Journal）中。

這些天文學家耗費3年時間所測量的這些迄今已知最遙遠星系，大都位在大霹靂後約7億8000萬年到10億年之間的時期中。距今130億年前的再游離時期，原本電中性的氫霧被星系或恆星所發出的輻射游離而變成離子，讓紫外光可以穿透而抵達地球，地球上的觀察者才能透過望遠鏡觀察瞭解該時期發生了什麼事件。

Fontana表示：考古學家從不同土層中發現的人造物品，可以重建某個歷史時期的概貌。天文學家的工作也是類似，但更好，因為可以藉由直接觀察不同宇宙時期中不同星系所發出的微光而直接看到遙遠的過去。星系之間的差異性可以告知我們宇宙在各個重要時期的變化狀況及變化速度。

由於不同化學元素所發出的光譜特徵不同，從各元素固定的發射譜線可以反過來鑑定該天體含有哪種化學元素。其中一條最強、最亮的紫外發射譜線就是氫原子的萊曼-Alpha譜線（Lyman-alpha line），因此即使在遙遠又昏暗的星系光譜上，也通常可以鑑別出該譜線的存在。

Fontana等人研究20個紅移值大於7的遙遠星系後，在其中5個最遙遠的星系譜線中確認出萊曼-Alpha譜線特徵，讓他們可以從事兩個關鍵工作：第一，從萊曼-Alpha譜線往紅光部分偏移的大小（即所謂的紅位移），可以估算出這些星系的距離，再以之估算大霹靂之後多久可以見到這些星系；從這些資料，天文學家就可以建立一個星系發出的光線如何隨時間演化的時程表。

第二，不同時間點的星系內氫離子的萊曼-Alpha譜線，都有被星系際空間中的中性氫氣吸收的狀況，在Fontana等人所研究的星系中，最早的星系（紅移值7.1）和最晚的星系，紫外光被遮蔽的比例差異頗大。例如：大霹靂之後僅7億8000萬年的最早星系周圍，中性氫氣非常豐富，佔了當時宇宙整體體積的10~50%左右；但在2億年之後，中性氫的比例降到非常低的程度，與今日差不多。所以看來似乎再游離發生個過程必定比天文學家之前想的還要快很多。

除了探索氫霧被清除的速率外，Fontana等人的觀測也顯示紫外光應是使再游離發生的主要能量來源。目前有多種討論使再游離發生的光線來源的理論，其中最可能的來源是宇宙的第一代恆星（星族III，Population III），另一種較可能的來源是物質落入黑洞過程中所發出的強烈輻射。（註：星族III恆星指幾乎不含氫與氦以外重元素的恆星，基本上只有在宇宙非常早期時才存在，不過迄今不曾觀測到星族III的恆星過。）

而仔細研究其中兩個迄今已知最遠星系所發出的昏暗光線後，Fontana等人認為宇宙第一代恆星應該是再游離能量來源的首選。因為第一代恆星應該都是非常年輕的大質量恆星，比我們的太陽還年輕5000倍以上，質量更可能高達太陽的100倍以上，所以它們所發出的輻射絕對強烈到足以使氫霧再游離，讓宇宙變透明。

這些天文學家計畫在ESO下一代的新望遠鏡—歐洲極大望遠鏡（European Extremely Large Telescope，E-ELT）完成後，利用E-ELT繼續確認他們的這個理論假說是否正確。

資料來源：Distant Galaxies Reveal The Clearing of the Cosmic Fog

轉載自台北天文館之網路天文館網站