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H0LiCOW!測量哈伯常數發現,宇宙跟我們想的可能不一樣

活躍星系核_96
・2017/02/09 ・2861字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

編譯/ 黃珞文

哈伯常數最新獨立測量證實,我們的宇宙模型可能需要小小修正。

哈伯常數(H0),是貫穿整個宇宙學研究領域的基本數值,可以用來說明宇宙膨脹得多快、估算宇宙年齡、宇宙的體積大小、宇宙裡有多少暗物質。

圖/ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

這張照片居中的 HE0435-1223,素以「得到很漂亮的重力透鏡效果」聞名。圖像顯示的是 HE0435-1223 和它周圍的 4 個「分身」影像──因為碰上了宇宙中的透鏡而產生「分身」。扮演「宇宙透鏡」的星系質量很大,重力很強。和眼鏡店裡的那些鏡片類似,「宇宙透鏡」把位在其正後方的 HE0435-1223 類星體所發出光線之光路改變。

順便一提,HE0435-1223 是這 4 個「分身」的「本尊」,中間的透鏡星系不是本尊,是質量特別大的星系,負責提供透鏡效果,前者稱為背景星系,後者稱為前景星系,較遠的在後,較近的在前。但是,因為角度的關係,圖中並無法分辨出孰為前景或背景。

就是這樣的「透鏡系統」,最近成為測量宇宙膨脹的最新工具。

H0LiCOW 測量哪些東西?

重力透鏡現象是在宇宙中,三點排成一直線的偶然結果。首先,三點的其中一個是地球;位於地球和最遠那一點的中間者,通常是質量比較大的天體(譬如星系),也稱為「前景」星系;三點中最遠的,則稱為「背景」星系,本身是極為明亮的天體,所發出的光,在經過前景大質量星系周圍時,大質量星系的重力場會讓經過它的光就像穿過一片玻璃透鏡一樣,光的路徑也會發生改變。這個過程有時還能把遠端明亮天體的影像複製出好幾個分身影像。

H0LiCOW 這項計畫(註 1),廣泛使用許多知名的地面型及太空望遠鏡(註 2)觀測到的透鏡星系圖像,用在哈伯常數的測量上。

究竟此團隊掌握什麼獨家技巧能做這樣的測量呢?原來,他們的想法是這樣,重力透鏡影像之產生,其實都存在著一些參數:「前景透鏡星系在形狀上的差異」、「遠端背景光源位置並不總是剛好對齊在正中央」等,因這些參數不同,遠端光線從一開始出發到抵達,途中走的路徑都不一樣,結果各自抵達地球也就有了時間差。

  • 蘇游瑄的影片解說

至於遠端光源,因為類星體的特色使然(H0LiCOW 計畫中的遠端光源都是「類星體」):能量強、很明亮、變化規律,天文學家經年累月觀測它們規律地閃爍,這種閃爍的特性,在每個受到透鏡作用的「分身」影像上,都一樣可以辨認得到。於是,這就可以用於確認每個分身影像抵達地球的時間差是多少,更重要的是,這樣的差異數值,直接和哈伯常數相關。

瑞士 EPFL 研究員 Frédéric Courbin 在團隊共同發布新聞稿中表示,H0LiCOW 團隊的這種方法,在目前用來測量哈伯常數的一些方法中,是最簡單又最直接的一種,因為只用到幾何學和廣義相對論,不需要用到其他假設。值得一提的是,這個結果的精確率達到 3.8%。德國馬克思–普朗克天文物理研究中心蘇游瑄團隊相信,未來的巡天觀測計畫將持續找到成百上千的更多重力透鏡類星體,重力透鏡時間差用於測量哈伯常數的這個方法非常有競爭力,得到的哈伯常數可望達到 1% 的準確度。

哈伯常數是多少?

H的單位是公里/秒/每百萬秒(km/s/Mpc)差距,百萬秒差距是一種天文學所使用的距離尺度,1 百萬秒差距等於 326 萬光年。H的公式看起來很簡單,即 H0=速度/距離,此速度是星系在直線上的遠離速度,因為宇宙在膨脹,所以遠方天體都在向後退。所以,用星系的運動速率除以星系和我們之間的距離,可以測量宇宙膨脹率。

測量哈伯常數有什麼重要?

測量哈伯常數以及掌握此數值所代表的意義,在研究宇宙如何創生和演化的無論計算或模型上,都是不可或缺的基本要素。H0LiCOW 合作計畫大部分研究,是蘇游瑄在臺灣中央研究院天文所擔任助研究員期間完成,她目前轉到德國馬克思–普朗克天文物理研究中心工作,對於測量哈伯常數到底有什麼重要,蘇游瑄說:

「哈伯常數對現代天文學至關重要,因為它能協助我們去證實或反駁『宇宙是由暗能量、暗物質和普通物質組成』──這樣的宇宙認知,到底是否正確,或者是我們還少了某些關鍵。」

她還指出,哈伯常數對最新的天文研究領域非常關鍵,因為它可以幫我們檢視,現在我們所認知的宇宙,到底是對還是不對?究竟宇宙是不是由暗能量暗物質和普通物質所組成?還是,宇宙中還有什麼我們仍不知道?

測量哈伯常數很難嗎?

精確測量哈伯常數相當困難。推估運動速率是很直接,不會模稜兩可,但是,距離多少,這在天文學裡相當難算,只能用我們稱之為「標準燭光」的東西來測量。「標準燭光」的天體具有非常精確而已知的亮度,只要測量天體的亮度,拿它來和標準燭光做個比較,就可以推算出距離。

在過去幾十年計算哈伯常數的歷史中,所用到的標準燭光是「造父變星」和 「Ia 型超新星」,後者特別指在雙星系統裡所發生的「超新星爆發」。

獨立測量哈伯常數有何特殊含義?

科學界賦予獨立測量一種獨特的地位。一個數值能夠以多種測量方式取得,其精確度和正確性就可能越高。由 H0LiCOW 團隊獨立測量得出的哈伯常數測量值,和 2016 年哈伯太空望遠鏡在鄰近宇宙所得到的測量值非常一致(註3)。這是值得強調的事實。

哈伯常數有三種,既有一致,也有不同,誰對了?

哈伯常數到底是多少,不是該拍板定案了?除非哪裡有問題?沒錯,問題來了,測量鄰近宇宙和測量大霹靂後所殘留的宇宙微波背景輻射(古早宇宙)的結果,不一致。

哈伯望遠鏡和 H0LiCOW 團隊從鄰近宇宙得到的數值接近,但是與目前的宇宙標準模型不合,而普朗克衛星測得的宇宙微波背景輻射得到的哈伯常數值,和宇宙標準模型很速配,但是卻和哈伯望遠鏡和 H0LiCOW 所得數值略差一截。

為什麼這些數值差這麼多,尤其他們的精確度卻又都是如此之高(參考註 3)?答案有可能是,其實我們根本不完全懂這個宇宙。這項差異有可能引領宇宙學進入一個前人未知的探索領域,是我們現有的宇宙觀和宇宙模型還未納入的新物理。

註解:

  1. H0LiCOW 全名是 H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring。
  2. 該研究使用到的望遠鏡包括有:哈伯太空望遠鏡(NASA/ESA)、凱克望遠鏡、甚大望遠鏡(ESO)、Subaru 望遠鏡、Gemini 望遠鏡、臺灣團隊參與儀器研發的「加法夏望遠鏡」(Canada-France-Hawaii telescope)、 NASA 的史匹哲太空望遠鏡。研究還使用到 Swiss 1.2-metre Leonhard Euler Telescope 和 MPG/ESO 2.2-metre telescope 等望遠鏡所提供資料。
  3. 根據歐洲太空總署和哈伯太空望遠鏡 2017 年 1 月 26 日發布的新聞稿:H0LiCOW 團隊得到的哈伯常數值是 71.9±2.7 公里/秒/百萬秒差距,即「每增加百萬秒差距的距離,膨脹秒速增加 71.9 公里誤差 2.7 公里」。另一科學團隊於 2016 年以哈伯太空望遠鏡測得之值是 73.24±1.74 公里/秒/百萬秒差距。歐洲太空總署普朗克衛星於 2015 年測量的哈伯常數是 66.93±0.62 公里/秒/百萬秒差距,仍是目前最精確的哈伯常數值。其精確度高低,看 ± 後面的數字可以知道,普朗克的誤差值是 0.62 公里,換言之,它如果是對的,其他測量法得到的結果應該在 66.31~67.55 公里/秒/百萬秒差距這個範圍之間,但其他測量方法得到的結果卻並不在這個區間,這顯示重大研究結果之間出現不一致。

本文編譯自 Alison Klesman 所撰寫的 HOLiCOW! Astronomers measuring the expansion of the universe confirm that we still don’t understand everything

http://pansci.asia/archives/flash/114191


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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


數感宇宙探索課程,現正募資中!

Tiger Hsiao_96
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現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。