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南極望遠鏡的觀測數據有助於了解暗能量

國科會 國際合作簡訊網
・2012/06/28 ・2029字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 578 ・九年級

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南極望遠鏡的資料支持愛因斯坦的宇宙常數

從 10 公尺的南極望遠鏡(South Pole Telescope, SPT)得到的數據分析對最廣為人們接受的暗能量(dark energy)解釋提供了新的支持。暗能量是負責加速宇宙膨脹的神秘力量來源。這些數據強烈支持愛因斯坦(Albert Einstein)的暗能量模型 ─ 宇宙常數(cosmological constant)。

圖片來源:McGill University

研究結果也開始把注意力放在微中子(neutrino)的質量上。微中子是宇宙中最豐富的粒子,直到最近被認為是不具質量的。一系列關於 SPT 發現的論文已經提交給天體物理學期刊(Astrophysical Journal)。

加拿大麥吉爾大學(McGill University)物理學教授 Gil Holder 表示,「最新發表的結果只是我們利用南極望遠鏡研究的開始,現在的分析只是根據我們目前所發現的 500 多個星系團(galaxy clusters)中的 100 個星系團。我們預期會有完整的資料集更嚴格限制在暗能量及微中子質量。

最近麥吉爾大學教授 Matt Dobb、博士後研究員 Keith Vanderlinde 與研究生 Tijmen de Haan 剛從南極回來,他們安裝了一個新的探測器讀出系統(detector readout system)到望遠鏡上。該系統是由唯一參與這項計畫的加拿大麥吉爾大學所開發並建造的。這項具備新檢測技術的電子系統將使望遠鏡能尋找大爆炸後的幾分之一秒所產生的特徵(signature),和改善測量物質和微中子性質的方法。

暗能量最廣為接受的特性是它造成在宇宙中一直無處不在的滲透力。這種力量可能是能量空間的結果,即使空間裡沒有物質和輻射。這種空洞空間的能量稱為宇宙常數,是由愛因斯坦提出的假設,用來解釋為什麼宇宙是靜止、而沒有瓦解。愛因斯坦後來知道宇宙不是靜止而是在擴大中的,他認為這是他最大的錯誤之一。

在 90 年代末期,天文學家發現宇宙的膨脹似乎在加速,根據爆炸恆星相對一致的亮度來測量宇宙距離(cosmic-distance)。在大爆炸後,重力應該已經減緩了宇宙的膨脹。

在愛因斯坦的年代,主流的觀點是宇宙是靜止的。為了適合靜止的宇宙,愛因斯坦把宇宙常數引入他的廣義相對論。但他的常數也適合加速中的宇宙環境,現在有無數的天文觀測支持。其他人假設重力可以在最大的宇宙產生不同的作用。在任一種情況下,天文測量都指向目前尚未了解的新物理。

SPT 是專門設計來解決暗能量之謎。10 公尺的望遠鏡在毫米波的運作下,產生了宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)的高解析度圖像,CMB 是大爆炸後遺留下來的光。科學家們利用 CMB 來研究遙遠的大規模星系,可以用於確定微中子的質量和暗能量的性質。

美國芝加哥大學(University of Chicago)Kavli 宇宙物理學研究所博士後研究員 Bradford Benson 表示,「CMB 確實是宇宙只有 40 萬年時的圖像,在宇宙中第一個行星、恆星和星系形成以前。CMB 已經走遍整個可觀測的宇宙,將近 140 億年,在旅程中有關宇宙的內容和演化資訊都刻印在 CMB 上。」Benson 在 4 月 1 日於亞特蘭大(Atlanta)舉行的美國物理學會(American Physical Society)會議中發表了 SPT 合作的最新研究發現。

當 CMB 通過星系團時,星團有效地留下陰影,使天文學家能發現宇宙中最龐大的星團,幾乎與它們的距離無關。麥吉爾大學研究生 Tijmen de Haan 是提交利用 SPT 數據及 X 光衛星記錄的影像組合來分析星系團的論文給天體物理學期刊的主要作者之一。de Haan 解釋,「這些測量顯示在整個宇宙的歷史中有多少個星團形成。這些是宇宙中最大的重力坍塌物體。他們的增長速度對微中子質量以及暗能量對宇宙結構生長的影響很敏感。他們揭露了構成宇宙的基石。」

微中子的存在是在 1930 年提出的。25 年後才第一次偵測到微中子,但仍然不知道其確切的質量。如果他們太重,他們會顯著影響星系和星系團的形成。

現在 SPT 團隊已經嚴格限制微中子的質量,產生的數值接近粒子物理測量所產生的預測值。

SPT 的研究也正被用於繪製宇宙中物質分布的地圖,以過去無法達成的精確度來測量宇宙微波背景天空中明顯位置的微妙移動(shift)。麥吉爾大學研究生 Alex van Engelen 在他最近提交給天體物理學期刊的論文中,提出目前對這種影響最精確的測量,解釋這些移動是主要由暗物質組成的質量變動(mass fluctuations)引起的重力而造成的。」

這項南極望遠鏡合作計畫由芝加哥大學領導,其他研究團隊包括阿岡國家實驗室(Argonne National Laboratory)、英國卡迪夫大學(Cardiff University)、美國凱斯西儲大學(Case Western Reserve University)、哈佛大學(Harvard University)、慕尼黑大學(Ludwig-Maximilians-Universität)、麥吉爾大學、美國史密松天文台(Smithsonian Astrophysical Observatory)、加州大學柏克萊分校(University of California at Berkeley)、加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)、科羅拉多大學博爾德分校(University of Colorado at Boulder)、密西根大學(University of Michigan),以及其他機構的科學家們。

參與南極望遠鏡計畫的麥吉爾大學研究人員包括教學人員 Matt Dobbs、Gil Holder、博士後研究員 Amy Bender 和 Keith Vanderlinde、研究員 Tijmen de Haan、Jon Dudley、Alex van Engelen 及 James Kennedy。

SPT 的經費主要來自於美國國家科學基金會(United States National Science Foundation)極地計畫辦公室(Office of Polar Programs)。另外部分來自於 NSF 資助的 KICP 物理尖端中心(Physics Frontier Center of the KICP)、Kavli 基金會、Gordon 和 Betty Moore 基金會的支持。加拿大團隊獲得加拿大自然科學暨工程研究委員會(Natural Sciences and Engineering Research Council)、加拿大進階研究所(Canadian Institute for Advanced Research)及加拿大研究講座(Canada Research Chairs)計畫的支持。

作者:駐加拿大台北經濟文化代表處科技組
資料來源:South Pole Telescope data shedding light on dark energy—McGill University [2012-04-02]

轉載自國科會國際合作簡訊網 [2012-05-21]

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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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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

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  • 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)

Tiger Hsiao_96
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現於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。

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宇宙是靜態還是在膨脹?又是誰先發現宇宙微波背景輻射?
賴昭正_96
・2022/04/22 ・6136字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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  • 文/賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

有心栽花花不開,無心插柳柳成蔭

-明代《增廣賢文》

在十六世紀以前,宇宙的起源、歷史、與結構一直被認為是屬於宗教與哲學的範圍,因此最初的許多宇宙論都是以人為中心、基於神話和傳說,並認為宇宙是永恆不變的。

為什麼是永恆不變的?一個正在改變的宇宙,便應該有面臨終結的命運,這似乎不符合超越人類之創世者存在的宗教信仰。

因此 17 世紀末至 19 世紀初之歐洲啟蒙時代(也稱為理性時代)雖然企圖擺脫對宗教盲目的信仰,追求通過理性和感官證據去獲得知識,但似乎並未改變科學家深信自盤古開天闢地以來,宇宙是靜態、永恆不變的根深蒂固想法。

牛頓在 1687 年提出萬有引力來闡述宇宙星球的運行,但只有一個吸引力的宇宙是不可能保持靜態的,因此牛頓理論需要一個持續的奇蹟來保持宇宙的靜態,防止宇宙的崩潰(即防止宇宙因為太陽和恆星被拉到一起而崩潰)[1]

愛因斯坦 1915 年發表包括重力在內的廣義相對論後,當然也思考著宇宙結構的問題。但他 1917 年所提出來的宇宙模型也像其它只有吸引力的模型一樣,謂宇宙是不可能保持靜態,只能膨脹或收縮!所以愛因斯坦就將重力方程式做了「少許修改」,讓宇宙能保持靜態。

1929 年,美國天文學家哈柏(Edwin Hubble)分析了一些從遙遠星群傳來之光譜的測量結果,發現其頻率很有系統地往較低之紅色位移(red shift),其位移值隨星群離我們之距離的增加而加大。顯然地,遙遠星群是依一定的規則在遠離我們:距離我們越遠,後退速率越快,稱為「哈柏–勒梅特定律」(Hubble-Lemaître law)]。

  • 紅移

多普勒效應(Doppler effect)或多普勒頻移(Doppler shift)是因聲音波源及觀察者的相對移動而造成波頻率變化的現象。當波源及觀察者互相接近時,觀察者會測到波源的頻率比原來的高;反之,當他們遠離時,觀察者會測到波源的頻率例比原來的低。頻率的改變與相對速度成正比。因為光也是一種振動,故也有類似的現象。就可見光而言,紅光頻率較低,藍光頻率較高,因此光頻因兩物體互相遠離而變低時,我們稱為「紅移」(redshift);反之,我們稱為「藍移」(blueshift)。

光源相對觀測者的運動導致紅移和藍移。圖/Wikipedia

這無可避免的結論是:宇宙正處於正在膨脹的狀態!此一完全出乎意外的發現,改變了宇宙論這一研究的整個面貌可是哈柏後來辯稱,不確定性的有限數據似乎支持靜止宇宙的概念,但他並沒有明確排除宇宙膨脹的可能性,因此他從未獲得諾貝爾獎——開玩笑的,他真正未得諾貝爾獎的原因見後。

有什麼證據可以說服像牛頓、愛因斯坦、哈柏這樣的大科學家相信宇宙是在膨脹呢?

標準大霹靂宇宙論

一個正在膨脹的宇宙是一個動態改變的宇宙,因此應該具有生命的歷史──甚至可能有出生與死亡。依現在廣為大部份科學家所接受的「標準大霹靂宇宙論」(standard cosmological Big Bang model),現在的宇宙年齡大約是 140 億年。

描述宇宙膨脹的藝術構想圖。圖/Wikipedia

我們雖然對 140 億年前的宇宙結構細節非常不清楚,但大部份的科學家均認為宇宙是由「一個時空特異點」突然大爆炸而出現的──雖然物理學家尚不知道可用什麼理論來解釋該特異點。

剛爆炸時的宇宙處於一個高度均勻、非常高溫、及高輻射能密度的狀態;大約 10-12 秒後,溫度下降到太陽核心溫度的一億倍時,我們現在所知道的自然力就出現了,此時被稱為夸克的基本粒子在能量海洋中自由遊蕩。大約 10–6 秒時,自由夸克就被限制在中子和質子中。大爆炸一秒鐘後,宇宙充滿了中子、質子、電子、反電子、光子、和中微子。之後,隨著宇宙繼續膨脹,溫度也繼續下降,質子和中子開始結合形成原子核,然後又與電子結合形成現今宇宙中主要成分的氦和氘原子。這些中性原子透過重力開始合併成氣體雲,慢慢演變成恆星。當宇宙膨脹到現在大小的五分之一時,恆星已經形成了可以識別的年輕星系群體。

在電子、質子、和中子結合形成不帶電之原子前,因輻射能直接與帶電體作用,故宇宙是「不透明」的。當宇宙膨脹持續了 38 萬年、比現在小 1000 倍、溫度只有 ~3000K 時,中性原子開始大量出現;宇宙學家稱此一時期為「複合時期(recombination epoch)」。因為中性原子不能散射輻射,故輻射能在其間自由遊蕩,宇宙於是就變「透明」了,宇宙學家稱此一事件為「光子去耦(photon decoupling)」。

黑體輻射光譜

不同溫度的黑體輻射頻譜。隨著溫度下降,頻譜峰值波長增加。圖/Wikipedia

在物理學上,黑體(blackbody)是可以吸收所有入射電磁輻射的理想物理體;因它吸收所有顏色的光,故呈黑色,稱為「黑體」。黑體也發射所有頻率的電磁波,稱為「黑體輻射」;其頻率分佈稱為「黑體輻射光譜」(blackbody radiation spectrum)或「黑體光譜」。

實驗發現黑體光譜與物體之形狀或成分完全無關,只與其溫度有關。古典物理沒辦法解釋黑體光譜,導致了量子力學的發展(詳見《量子的故事》)。處於恆溫之熱平衡狀態的物體會發射該溫度之黑體輻射,其頻率或波長分佈如上圖。

黑體輻射的總能量與其溫度的四次方成正比,稱為「斯特凡-玻爾茲曼定律」(Stefan–Boltzmann law);其光譜的峰值波長與其溫度成反比,稱為「維恩位移定律」(Wien displacement law)。太陽表面溫度約為 6000K,其光譜的峰值落在可見光的範圍,正是我們眼睛所能感應到的電磁波(見上圖)!

你說這是巧合還是演化的必然結果?

宇宙微波背景輻射—理論

1960 年代,普林斯頓大學物理學家迪克(Robert Dicke)及學生皮布爾斯(Jim Peebles)對 38 萬年前可以自由地穿過宇宙的輻射感到興趣,開始探討這些輻射遺留下來的可能性。他們推論說:如果宇宙是根據大爆炸理論創造的,那麼在「光子去耦」時,這些輻射應與物質作用達到平衡,其頻率分佈應是 3000K 之黑體輻射的光譜,強度最高的輻射在紅外線區(波長約為 970 nm)。托爾曼(Richard Tolman)在 1934 年的《相對論、熱力學和宇宙學》一書謂:宇宙因膨脹而溫度一直在下降,輻射頻率的分佈當然也一直隨其溫度在改變,但卻永遠保持著黑體輻射的分佈特性。

去耦時的宇宙大約比現在小 1000 倍,溫度大約為 3000K,因此當宇宙空間膨脹到現在之值時,當時之黑體輻射峰值波長便應該增長 1000 倍到微波範圍的 970 μm。因黑體光譜的峰值波長與其溫度成反比,故如果黑體輻射峰值波長增長 1000 倍,黑體的溫度便應該下降 1000 倍到 ~3K。所以現在的宇宙應充滿著 ~3K 的黑體輻射,稱為「宇宙微波背景輻射」(cosmic microwave background radiation,縮寫為 CMB 或 CMBR)。

根據 WMAP 對宇宙微波背景輻射的觀測所繪制的圖像。圖/Wikipedia

迪克及皮布爾斯都是動嘴不動手的理論物理學家,因此只好說服同事威爾金森(David Wilkinson)和羅爾(Peter Roll)去安裝天線搜索這些輻射(有心栽花…… )。

宇宙微波背景輻射——偵測

幾乎就在同時,貝爾實驗室的彭齊亞斯(Arno Penzias)和威爾遜(Robert Wilson)抓住機會,將該實驗室本想作廢的一個巨大的 20 英尺喇叭形天線,轉來作為輻射望遠鏡,以放大和測量來自星系之空間的無線電信號。為此,他們必須消除來自地面之雷達和無線電廣播的影響,並通過液氦冷卻接收器本身來抑制其核心的干擾。

在排除了能想到的一切過量輻射的來源後,他們發現接收器中仍持續存在有一種低沉、穩定、神秘的噪音。這殘留的噪音不但比他們預想的強烈一百倍,還晝夜均勻地散佈在天空;他們再次徹底檢查了設備,甚至清理了一些堆積在天線中的鴿子糞便後,噪音依然存在。顯然地,這 7.35 厘米波長的輻射不是來自地球、太陽、或我們的銀河系,而是來自銀河系外。可是什麼地方呢?

彭齊亞斯和威爾遜站在霍姆德爾號角天線下。圖/Wikipedia

當麻省理工學院物理學教授伯克(Bernard Burke)告訴彭齊亞斯他曾看到皮布爾斯的一篇預印本論文,討論在宇宙出現後可能留下的輻射時,彭齊亞斯和威爾遜立刻意識到他們之發現的可能重要性。彭齊亞斯打了電話給就在附近工作之迪克,要了一份尚未發表的皮布爾斯論文。讀完該論文後,彭齊亞斯又打了電話給迪克,邀請他到貝爾實驗室看喇叭天線,欣賞背景噪音。迪克與貝爾實驗室的研究人員分享了他的理論工作後,認為後者(無心插柳)所發現的微波輻射正是他們正在尋找的大爆炸的標誌(柳成蔭)。

為了避免潛在的衝突,他們決定聯合發布他們的結果。 兩封快報同時迅速地在 1965 年的《天體物理學雜誌》(Astrophysical Journal)出現。在該雜誌裡,迪克和他的同事先概述了宇宙背景輻射作為大爆炸理論證據的重要性,然後彭齊亞斯和威爾遜報告了 3.5K 之殘餘背景噪音實驗,並謂迪克快報中的理論正可能是噪音的來源。

彭齊亞斯回憶說:「當我們第一次聽到莫名其妙的嗡嗡聲時,我們不明白它的意義,我們做夢也沒有想到它會與宇宙的起源有關。直到我們對聲音的起源用盡了所有可能的解釋後,我們才意識到我們偶然發現了一件大事。」彭齊亞斯和威爾遜因意外發現「微波背景輻射」而獲得了 1978 年的諾貝爾物理學獎。提供理論解釋的迪克及皮布爾斯則被排除在外[2]。據皮布爾斯的回憶:迪克在掛斷彭齊亞斯之電話後,曾無奈地向普林斯頓大學的同事說:「完了,同事們,我們被別人捷足先登了(Well, boys, we’ve been scooped.)」。皮布爾斯雖然在 1978 年與諾貝爾獎失之交臂,但在 2019 年還是因在物理宇宙學方面的貢獻而獲得諾貝爾物理學獎。

宇宙微波背景輻射——誰先提出?

事實上早在 1941 年科學界就開始有幾個對宇宙空間溫度的估計,但這些估計存在兩個缺陷。

首先,它們是對宇宙空間有效溫度的測量,並不表明宇宙空間充滿了黑體光譜。

其次,它們依賴於地球在銀河系邊緣的特殊位置,也沒有表明輻射分佈與方向無關。儘管如此,現在很多文獻都錯誤地認為第一位提出宇宙微波背景輻射的科學家是名科普作家伽莫(George Gamow)。

1940 年代初期,伽莫想知道早期宇宙的條件是否會產生科學家現在所觀察到的氫、氦、和其他元素。這項研究需要核物理知識,但當時美國的大多數核物理學家都被招募去發展原子彈,因此伽莫基本上是獨自一人在研究核合成問題。伽莫本人並不特別擅長數學計算,因此建議他的博士生阿爾弗(Ralph Alpher)去做這雜事。他們假設大爆炸後的宇宙非常熱、充滿了中子,原子核是透過一次捕獲一個中子而形成的,偶爾原子核會衰變產生一個更重的原子核(加上一個電子和一個中微子)。在 1948 年 4 月的論文裡,他們成功地預測了宇宙中氫和氦的比例(佔所有原子的 99.99%),為大爆炸模型的另一次重大勝利。

在上面提到的 1948 年的論文裡,伽莫和阿爾弗並沒有提到「宇宙初始膨脹的殘餘輻射」。幾個月後,阿爾弗和約翰霍普金斯大學同事赫爾曼(Robert Herman)發表了另一篇論文,謂現今觀察到的氫和氦濃度說明了在宇宙誕生後的幾分鐘內,宇宙的溫度曾經處於十億度的範圍內;並預測那早期宇宙中強烈輻射的微弱殘餘現今大約在「5K 左右」(兩年後他們重新估計為 28K)。事實上,阿爾弗說伽莫最初是反對這一預測的;他在 1997 年 8 月 25 日的一封信中寫道:

1948 年末,我和赫爾曼發表那篇論文後,伽莫三年來對預測(宇宙背景溫度)的貢獻一直是:對其正確性及意義強烈地表達了保留意見。後來他返回(這題目)並發表了幾篇論文,在理論上承認了這種輻射的存在,但繼續錯誤地計算其性質,混淆了數年的(歷史)文獻!

結論——從背景輻射,到恆星的「種子」

事實上彭齊亞斯和威爾遜並沒有探測到輻射具有黑體的光譜分佈;在 8 個月後,威爾金森和羅爾的實驗才總算開花顯示出 2.7K 光譜分佈的證據。但完全證明輻射的黑體性質則在更長的時間後才出現。靜態宇宙論雖然也可以解釋宇宙背景溫度,卻沒辦法解釋其光譜分佈,因此黑體微波背景輻射光譜的發現終於鞏固了大霹靂宇宙論在天文學上的地位!

一個在空間均勻分佈的輻射怎麼可能產生星球呢?因此這一充滿空間的輻射必須有一些局部變化⎯⎯無論多麼輕微,來提供形成物體的「種子」。1970 年代,天文學家發現了宇宙背景輻射在不同方向上確實有些微差異。這一發現激發了美國宇航局投入數十億美元,在戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)開始研製一種不僅可以測量背景輻射的變化,還可以證明它是黑體輻射的「宇宙背景探測器」 (COsmic Background Explore;COBE)衛星。

「宇宙背景探測器」 (COsmic Background Explore;COBE)衛星。圖/Wikipedia

宇宙背景探測器於 1989 年發射。它準備花四年的時間來觀察蒐集資料。但在幾個小時內,它就證明了宇宙背景輻射的光譜分佈確實是黑體,完全符合與來自大爆炸時的理論計算。在 1992 年 4 月 3 日的新聞發布會上,加州大學柏克萊分校的天文物理學家斯穆特(George Smoot)宣布衛星探測器偵測到了宇宙微波背景的微小波動,為研究早期宇宙的一個突破:「我們觀察到早期宇宙中最古老和最大的現代結構(如星系、星系團等)的原始種子。不僅如此,它們也是(宇宙)創造時期遺留下來的時空結構中的巨大漣漪」;並謂「如果你有宗教信仰,那就像是看到了上帝」。馬瑟(John Mather)與斯穆特「因發現了宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性」而獲得 2006 年諾貝爾物理學獎。

哈柏的發現改變了整個宇宙論研究的面貌,這麼大的貢獻,為什麼他從未獲得諾貝爾獎呢?原來那時的諾貝爾獎物理委員會不承認天文學是物理!因為這個關係,哈柏後來一直在努力爭取諾貝爾獎承認天文為一物理學的工作。

註解

  • 註 1:因為正在撰寫這篇文章,筆者在此就賣個關子,不談牛頓如何解決這個問題。
  • 註 2:是否因諾貝爾獎最多只能給三人之故就不得而知了。有趣的是:當初楊振寧與李政道因提出理論而獲得諾貝爾獎,吳建雄及雷德曼(Leon Lederman)之實驗驗證則被排除在外。

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。