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搞不好這顆遙遠難見的星系根本全是暗物質

臺北天文館_96
・2012/02/04 ・1668字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

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有一種無人看得見,但明明經由它的重力造成的變形效應,又能在觀測中得知該物體的確存在,這就是天文學家給予「暗物質」的描述;它是「既不發光也不吸收光,一種如幻似影、難測的物質,估計約25%的宇宙是由它所構成」。不過現在,這相同的敘述或許也照樣適用於一個極遙遠、極微小,位於距離地球約100億光年、望遠鏡根本看不到的一個星系;雖然看不到,但天文學家藉由背景星系的光通過它附近的時候,發生了少許變形現象,仍然能夠偵測得知這不為人所見的星系的存在。這個「暗星系」是目前為止,在距離如此遙遠的條件下,科學家仍能偵測得知「某天體存在」的案例中,質量最小的一個。這顆暗星系的發現帶著些許意義:1,它能幫助人類找到更多類似的天體,2,它還可以協助驗證或者推翻現有幾種宇宙學理論中,和宇宙結構相關的一些推論。

從事該研究的MIT天文學家說,目前我們已找到了一顆這樣的「暗衛星」,它真正具有的關鍵意義在於後續發展下,可能出現的兩種可能性,第一種可能:假設我們再也找不到更多和它一樣的「暗衛星星系」的話,這意味著先前關於暗物質屬性的推論,局部恐將面臨改正。反之,與第一種可能性相對的第二種可能性則是:如果我們找到的暗衛星數量正符合模擬結果,也就是數量算是「相當多」的話,那便能印證我們先前所以為的暗物質屬性,是近乎正確的。

既然有衛星星系,那麼,誰是這顆暗衛星系所依附掛鉤的主星系?它是編號”JVAS B1938 + 666”,一個距離地球極遙遠的橢圓星系。研究團隊原本便是希望運用重力透鏡方法,尋找一些遙遠星系所具有的暗衛星星系-這些衛星星系因幾乎不發光或只發出很黯淡的光而得其「暗」星系之名-前述這顆暗衛星便是在科學家的努力搜尋中所獲得的結果。MIT研究團隊使用的工具是夏威夷毛納基山頂上配備有自適應光學儀器設備的凱克(Keck II)望遠鏡,這種能自動追蹤星光的自適應光學系統,因為能大幅擺脫掉地球大氣層造成的擾流及訊號變形現象,觀測結果更為精準。

根據MIT團隊的觀測結果,這兩個從地球視角看來,似乎是肩並肩並排的星系,經觀測發現,其實兩者距離地球仍稍有著遠近之別,以致於距離較近的那個(前述「暗衛星」,質量較小的星系),在行經較遠的JVAS B1938 + 666前方時,因前者本身重力場的影響,能使在地球上觀測者看見由後者所發出的光呈現出扭曲變形的現象,這種變形有另一個好記的名稱,叫做「愛因斯坦之環」。

由於愛因斯坦環的大小、形狀及亮度都和前景星系(即「暗衛星星系」)裡質量整體的分布息息相關,所以運用所觀測到的愛因斯坦環現象、經計算後便可得知,這個暗星系質量大約為太陽2億倍,和稍早所發現的銀河系衛星星系,質量規模正好都相差不遠。

現有的數值模擬計算模型中,多數都主張銀河系的衛星星系數量應該約有1萬顆左右,但其中卻一共只有30顆被觀測到 – 會不會是因為其中許多的衛星星系其實皆由暗物質所構成,所以,若是企圖以舊方式觀測這群無影無蹤的星系,差不多算是自尋煩惱而註定無所得呢?又抑或是另一種可能性正在向我們招手:天文學中對於「星系究竟由什麼物質組成」的觀點,現在已經收到了一封可能必須修正的挑戰信嗎?

所謂矮星系,(也就是衛星星系)的基本定義指的是,那些「貼掛在較大星系尾巴邊上、質量較小的一些星系」。或許正由於它質量小,並且質量的大部分都並非由恆星所貢獻,而是由暗物質所組成,因此,譬如上述案例當中之遙遠星體,正好是如此這般的昏暗或甚至完全不可見。

MIT這個研究計畫的主持人Vegetti表示: 這些暗星系由於許多原因,無法形成很多很多恆星,甚至於連一顆恆星都不能形成,因此,它們是打從一開始,就滯留在「暗」的境地裡的一群。

Vegetti的團隊計畫將繼續用這樣的方法在宇宙其他區域進行更多衛星系的搜尋工作,或許藉由廣泛的資料蒐集,便能逐步揭曉暗物質的廬山真面目。

該篇研究論文刊登於「自然」雜誌。(Lauren譯)

圖片說明:B1938+666星系受到重力透鏡作用,以Keck II望遠鏡在紅外線波段觀測下所看到的影像。具有所謂「愛因斯坦環」的變形。圖片來源: D. Lagattuta / W. M. Keck Observatory

資料來源:中研院天文網[2012.01.26]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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宇宙學的最大謎團!有超過90%的世界都是暗物質和暗能量,但,它們究竟是什麼?──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/08 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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觀測星系時,科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等,所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

宇宙是由物質構成的,但究竟是由甚麼物質構成的呢?圖 / twenty20photos

不過,後來我們了解到,宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質,那就是「暗物質(dark matter)」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質,卻實際存在於宇宙中,而且暗物質在宇宙中的含量,遠多於我們看得到的「物質」

1934 年,瑞士的天文學家茲威基(Fritz Zwicky,1898~1974)觀測「后髮座星系團」時,發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量,與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快,推測存在 400 倍以上的重力缺損(missing mass)。

在這之後,美國天文學家魯賓(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代觀測仙女座星系時,發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別,並推論仙女座的真正質量,是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

到了 1986 年,科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構,發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構,僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足,科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質=暗物質」。

看不到卻存在?暗物質究竟是什麼?

既然看不到,那我們怎麼確定暗物質真的存在?圖 / twenty20photos

前面提到我們看不見暗物質,而且不只用可見光看不到,就連用無線電波、X 射線也不行,任何電磁波都無法檢測出這種物質(它們不帶電荷,交互作用極其微弱)。

因為用肉眼、X 射線,或者其他方法都看不到它們,所以稱其為「暗」物質。

不過,從星系的運動看來,可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力(質量)」。這就是由暗物質造成的重力。

看不到的能量:暗能量

事實上,科學家們也逐漸了解到,宇宙中除了暗物質之外,還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為,宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對,不過,1998 年觀測 Ⅰa 型超新星(可精確估計距離)時,發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」,以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例,如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星(美國)於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射(CMB),計算出來的結果。

圖/台灣東販

後來,普朗克衛星(歐洲太空總署)於 2013 年起開始觀測宇宙,並發表了更為精準的數值。

  • 什麼是「普朗克衛星」?

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。  

暗物質的真面目,究竟是什麼?微中子嗎?

既然暗物質有質量,那會不會是由某種基本粒子構成的呢?也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於這些研究,不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子(共 17 種)以及其他未知粒子,都有可能是暗物質,在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷,不與其他物質產生交互作用,會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且,宇宙中也確實充滿了微中子。因此,微中子很可能是暗物質的真面目。

不過,目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖/NASA

為什麼微中子被撇除了呢?

這是因為,雖然微中子大量存在於宇宙中,質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少,不過依照目前的宇宙論,3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子,那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對,兩者相差過大。

另一方面,暗物質中的冷暗物質(cold dark matter)的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動,進而產生暗物質的擾動(空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同),這種微妙的重力偏差,會讓周圍的暗物質聚集,提升重力,進一步吸引更多原子聚集,最後形成我們現在看到的星系。

相較於此,微中子過輕(屬於熱暗物質,hot dark matter),會以高速飛行。微中子無法固定在一處,這樣就無法聚集起周圍的原子,自然也無法形成星系。

暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼?仍然是宇宙學中最大的謎團!

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」,指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射(CMB)可顯示出宇宙初期的溫度起伏,因而得知存在相當微小,卻十分明顯的擾動,此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中,物質會往較濃的部分聚集,並形成星系或星系團等大規模結構。

不過,如同我們前面提到的,科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子,在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下,很難形成現今的星系團。

於是,科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子(SUSY 粒子)」當中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名為軸子(axion)的假設粒子;另外,也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」,雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時,即使不假設這些未知粒子的存在,在標準模型的範圍內,微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的,當我們認為微中子應該不是主要暗物質時,就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論,這點十分重要。

宇宙微波背景(CMB)是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射,充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販

那麼,微中子真的完全不可能是暗物質嗎?

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子,由於我們還不曉得它的質量以及存在量,所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過,這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下,一切都還未知。關於這點,我們將在《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——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。

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跌入黑洞的瞬間,會發生什麼事?——《高手相對論》
遠流出版_96
・2022/05/01 ・1542字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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事件視界望遠鏡發佈的第一張黑洞圖片。圖/事件視界望遠鏡, CC BY 4.0

黑洞

根據廣義相對論,一個星體的質量愈大、自身的尺寸愈小,它對周圍空間彎曲的程度就愈厲害。所謂「黑洞」,就是它把周圍空間彎曲得實在是太厲害了,以致連光線都無法從裡面出來。

從外面看,黑洞本身是一個黑黑的洞。但是如果黑洞附近有其他物質,比如星際間的氣體或者帶電的粒子,你會看到它周圍有一個光圈。那些光來自帶電粒子加速度運動產生的輻射。

而普通恆星、質量大體積小的中子星,以及黑洞對時空的彎曲程度都不相同。

與黑洞有關的知識,像史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)的《時間簡史》(A Brief History of Time)這類書已講了很多,而你需要知道的只是一個概念:「事件視界」(Event Horizon)。

所謂事件視界,就是分隔黑洞內外的一條界線。事件視界以外,光至少還可以離開黑洞;而不管什麼東西一旦進入事件視界,就再也不能逃脫黑洞了。

現在,我們來思考一件特別有詩意的事情——掉入黑洞,會是一種什麼樣的體驗?

其他地方可不會帶給你這樣的感受。假設你前往黑洞,我坐在遠處的太空船裡看著你,因為強烈的時間膨脹效應,當你接近黑洞的時候,我會看到你的動作變得愈來愈慢。你會比我老得慢!

接近黑洞不一定就會掉進黑洞裡,事實上,因為黑洞的尺寸往往比較小,想掉進去也不容易。你完全可以把黑洞當作一顆普通的行星,繞著黑洞轉幾圈,你完全是自由落體運動,不會感到任何不適。但是因為黑洞本身的重力場太強,把時空彎曲得太厲害,所以你轉的這幾圈,在我眼中可就太漫長了。如果你轉兩圈再回來找我,可能我已經老死,而你歸來仍是少年。

但是,如果你覺得在周邊轉兩圈不過癮,想進入事件視界看看黑洞裡面是什麼情況,那可就麻煩了。

跨越事件視界⋯⋯會怎樣?圖/envato elements

在事件視界上,你的時間膨脹將會達到無窮大。

也就是說,當你跌入黑洞的時候,我看到的是你愈走愈慢、愈走愈慢,最後你的身影將永遠停留在事件視界上。

我感覺到你再也不動了,你那一刻的形象永遠都保留在我的世界中。你那一瞬間,是我的永恆。

但是時間膨脹是相對於我而言的,你自己不會感覺到這一點,你只會自然地跌入黑洞中。經過事件視界的那一刻,你不會有任何異樣的感覺。黑洞並沒有在邊界線上為你舉行歡迎儀式,你看到的黑洞內部也可以有光線,你眼中的事件視界內外沒有什麼差別。

然而這是一條有去無回的路,你將會被黑洞殺死,但你不是撞到什麼地方摔死的,而是黑洞把空間彎曲得太厲害,可能你身體下半部分的重力會比身體上半部分的重力強很多,這個差異會把你撕裂⋯⋯。

我們無法直接觀測到黑洞,但是我們可以從黑洞附近的星體運動方式判斷它的存在。天文學家已經有充分的證據,在宇宙中找到了很多個黑洞。

有關黑洞的知識都是其他物理學家研究出來的,愛因斯坦沒有回頭看相對論帶來的這場爆炸。他只想做最重要的研究,我們下一章再講。

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遠流出版_96
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