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打破迄今最遠星系的記錄

臺北天文館_96
・2012/11/18 ・1726字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

結合哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)和史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)資料後,天文學家利用天然的「太空放大鏡」發現一個新星系,距離超過現在已知的任何星系,距離地球約133億光年,相當於為在大霹靂後僅約4億2000萬年左右的時期中誕生,締造一個最遠星系新記錄,也提供天文學家一個窺視宇宙幼年期的機會。

太空望遠鏡科學研究所(Space Telescope Science Institute)Marc Postman領導的哈柏星系團重力透鏡與超新星巡天計畫(Cluster Lensing And Supernova Survey with Hubble,CLASH),經由星系團龐大質量所產生的重力場,讓星系團背後遙遠的星系被這個天然放大鏡偏折而聚光,這才讓這個遙遠而黯淡的背景星系亮到足以偵測到的地步。這就是所謂的重力透鏡( gravitational lensing)效應,是天然的太空放大鏡。

這個締造新記錄的最遠星系編號為MACS0647-JD,由於非常遙遠,而且遠比銀河系小得多,因此在觀測影像中看起只是一個黯淡的光點,好在有MACS J0647+7015星系團的重力透鏡效應幫忙,在MACS J0647+7015周圍形成數道光弧,Postman等人才能發覺它的存在。星系團MACS J0647+7015距離地球約80億光年,其龐大質量所產生的重力效應,讓背景星系MACS0647-JD的光弧比原本的亮度分別增加了8倍、7倍和2倍之多。

位在宇宙幼年期的MACS0647-JD星系是個所謂的矮星系,直徑不到600光年。天文學家先前曾針對近一點的星系所做的觀測分析,一般典型的星系在與MACS0647-JD相同年齡時,直徑一般在2,000光年左右。拿銀河系衛星星系之一的大麥哲倫星系(Large Magellanic Cloud)來比較,這個矮星系的直徑也有14,000光年之多;更遑論我們銀河系多達約150,000光年直徑的大小。由此可見,MACS0647-JD真的是個非常小的星系;Postman等人認為,MACS0647-JD很可能就是建造現代星系的基石,經由數十、數百甚至數千次這些小星系的合併,最終才能成就出像銀河系這樣的大型星系。

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這個巡天計畫,是利用哈柏3號廣角行星相機(Wide Field Camera 3,WFC3),配合從近紫外到近紅外的17個濾鏡進行觀測。團隊成員之一的Dan Coe於2012年2月在彙整哈柏CLASH巡天觀測17個星系團所得的數千個重力透鏡天體星表時,注意到僅有其中2個最紅的濾鏡出現MACS0647-JD,這意味這個天體很「紅」,代表要不是它所發出的光只落在紅外波段,即所謂的「紅色天體(red object)」,那麼就是個極遙遠的天體,以致於它因宇宙膨脹導致紅位移到波長極長的波段中。

從CLASH觀測,在MACS J0647+7015星系團周圍,總共偵測到8個被MACS J0647+7015星系團重力透鏡聚光的遙遠背景星系。從這些遙遠星系的光弧的亮度和位置,研究人員可藉此重建MACS J0647+7015星系團的質量分佈圖;MACS J0647+7015星系團的質量絕大部分是本質未知的暗物質(dark matter);暗物質雖不可見,但仍能從它與一般物質之間的重力交互作用而得知它們的存在。

分析結果顯示:這個星系團的質量分佈狀況,讓MACS0647-JD在MACS J0647+7015星系團周圍總共產生三道重力透鏡影像,經過數個月的系統性分析處理,排除其他可以解釋這個天體的可能成因,例如紅色恆星、棕矮星或紅色星系(red galaxies,比較古老或含塵量較多的星系)等,最終才能確認MACS0647-JD是個非常遙遠的星系,紅移值(redshift)高達11,是迄今為止觀測到紅移值最高的。

受到宇宙膨脹而使原本發出的紫外光被紅移到紅外波段,因此這些研究學者決定利用在紅外波段相當靈敏的史匹哲太空望遠鏡來做後續觀測。如果這個天體本質就是紅色天體,發出的光本來就集中在紅外波段,那麼它在史匹哲的影像中應該會相當明亮;相對地,如果這個天體在紅外波段也是勉強能偵測到,顯示它是個非常遙遠的天體。這些研究學者計畫利用史匹哲進行更深入的觀測,希冀能藉此估計出這個星系的的年齡和含塵量。

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然而,MACS0647-JD星系可能太遠,遠到現今世上沒有任何望遠鏡和儀器能確認其距離。Coe等人是根據這個遙遠星系的獨特顏色和以前的研究所知,以外差方式估算出MACS0647-JD星系的大概距離,且哈柏影像中的3個重力透鏡影像都符合這個距離估算。

MACS0647-JD這個最遠星系新冠軍,是CLASH巡天計畫發現的第2個遙遠星系;CLASH巡天計畫在今年初時,發現一個約在大霹靂後4億9000萬年的遙遠星系,盤據了最遠星系冠軍位置之後,終被僅早它7000萬年的MACS0647-JD星系給踢下冠軍寶座。CLASH巡天計畫預定要觀測25個大質量星系團,目前已完成其中20個星系團的觀測工作。這個研究團隊預期未來還會在宇宙幼年期裡發現更多矮星系;如果在宇宙幼年期裡,矮星系數量繁多,那麼它們很可能就是讓氫霧被再游離(re-ionization),使宇宙變得透明的功臣。

資料來源:NASA Observatories Find Most Distant Galaxy Candidate. NASA [November 15, 2012]

轉載自 網路天文館

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Intel® Core™ Ultra AI 處理器:下一代晶片的革命性進展
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/21 ・2364字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 Intel 委託,泛科學企劃執行。 

在當今快節奏的數位時代,對於處理器性能的需求已經不再僅僅停留在日常應用上。從遊戲到學術,從設計到內容創作,各行各業都需要更快速、更高效的運算能力,而人工智慧(AI)的蓬勃發展更是推動了這一需求的急劇增長。在這樣的背景下,Intel 推出了一款極具潛力的處理器—— Intel® Core™ Ultra,該處理器不僅滿足了對於高性能的追求,更為使用者提供了運行 AI 模型的全新體驗。

先進製程:效能飛躍提升

現在的晶片已不是單純的 CPU 或是 GPU,而是混合在一起。為了延續摩爾定律,也就是讓相同面積的晶片每過 18 個月,效能就提升一倍的目標,整個半導體產業正朝兩個不同方向努力。

其中之一是追求更先進的技術,發展出更小奈米的製程節點,做出體積更小的電晶體。常見的方法包含:引進極紫外光 ( EUV ) 曝光機,來刻出更小的電晶體。又或是從材料結構下手,發展不同構造的電晶體,例如鰭式場效電晶體 ( FinFET )、環繞式閘極 ( GAAFET ) 電晶體及互補式場效電晶體 ( CFET ),讓電晶體可以更小、更快。這種持續挑戰物理極限的方式稱為深度摩爾定律——More Moore。

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另一種則是將含有數億個電晶體的密集晶片重新排列。就像人口密集的都會區都逐漸轉向「垂直城市」的發展模式。對晶片來說,雖然每個電晶體的大小還是一樣大,但是重新排列以後,不僅單位面積上可以堆疊更多的半導體電路,還能縮短這些區塊間資訊傳遞的時間,提升晶片的效能。這種透過晶片設計提高效能的方法,則稱為超越摩爾定律——More than Moore。

而 Intel® Core™ Ultra 處理器便是具備兩者優點的結晶。

圖/PanSci

Tile 架構:釋放多核心潛能

在超越摩爾定律方面,Intel® Core™ Ultra 處理器以其獨特的 Tile 架構而聞名,將 CPU、GPU、以及 AI 加速器(NPU)等不同單元分開,使得這些單元可以根據需求靈活啟用、停用,從而提高了能源效率。這一設計使得處理器可以更好地應對多任務處理,從日常應用到專業任務,都能夠以更高效的方式運行。

CPU Tile 採用了 Intel 最新的 4 奈米製程和 EUV 曝光技術,將鰭式電晶體 FinFET 中的像是魚鰭般阻擋漏電流的鰭片構造減少至三片,降低延遲與功耗,使效能提升了 20%,讓使用者可以更加流暢地執行各種應用程序,提高工作效率。

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鰭式電晶體 FinFET。圖/Intel

Foveros 3D 封裝技術:高效數據傳輸

2017 年,Intel 開發出了新的封裝技術 EMIB 嵌入式多晶片互聯橋,這種封裝技術在各個 Tile 的裸晶之間,搭建了一座「矽橋 ( Silicon Bridge ) 」,達成晶片的橫向連接。

圖/Intel

而 Foveros 3D 封裝技術是基於 EMIB 更進一步改良的封裝技術,它能將處理器、記憶體、IO 單元上下堆疊,垂直方向利用導線串聯,橫向則使用 EMIB 連接,提供高頻寬低延遲的數據傳輸。這種創新的封裝技術不僅使得處理器的整體尺寸更小,更提高了散熱效能,使得處理器可以長期高效運行。

運行 AI 模型的專用筆電——MSI Stealth 16 AI Studio

除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel® Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門用於在本機端高效運行 AI 模型。這使得使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時節省了連接雲端算力的成本。

MSI 最新推出的筆電 Stealth 16 AI Studio ,搭載了最新的 Intel Core™ Ultra 9 處理器,是一款極具魅力的產品。不僅適合遊戲娛樂,其外觀設計結合了落質感外型與卓越效能,使得使用者在使用時能感受到高品質的工藝。鎂鋁合金質感的沉穩機身設計,僅重 1.99kg,厚度僅有 19.95mm,輕薄便攜,適合需要每天通勤的上班族,與在咖啡廳尋找靈感的創作者。

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除了外觀設計之外, Stealth 16 AI Studio 也擁有出色的散熱性能。搭載了 Cooler Boost 5 強效散熱技術,能夠有效排除廢熱,保持長時間穩定高效能表現。良好的散熱表現不僅能夠確保處理器的效能得到充分發揮,還能幫助使用者在長時間使用下的保持舒適性和穩定性。

Stealth 16 AI Studio 的 Intel Core™ Ultra 處理器,其性能更是一大亮點。除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門針對在本機端高效運行 AI 模型的需求。內建專為加速AI應用而設計的 NPU,更提供強大的效能表現,有助於提升效率並保持長時間的續航力。讓使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時也節省了連接雲端算力的成本。

軟體方面,Intel 與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化。與 Adobe 等軟體的合作使得使用者在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。獨家微星AI 智慧引擎能針對使用情境並自動調整硬體設定,以實現最佳效能表現。再加上獨家 AI Artist,更進一步提升使用者體驗,直接輕鬆生成豐富圖像,實現了更便捷的內容創作。

此外 Intel 也與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化,讓 Intel® Core™ Ultra處理器將AI加速能力充分發揮。例如,與 Adobe 等軟體使得使用者可以在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。為各行專業人士提供了更加多元、便捷的工具,成為工作中的一大助力。

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韋伯太空望遠鏡運作滿週年,它看到了什麼?
PanSci_96
・2023/09/02 ・3306字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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古老星系中發現有機分子?我們離第三類接觸還有多遠?

韋伯正式展開拍攝任務已經屆滿週年,最近也傳回來許多過去難以拍攝到的照片。六月初,天文學家在《自然》期刊上發表了這張照片,在藍色核心外,環繞著一圈橘黃色的光環。

這是一個星系規模的甜甜圈?這是一個傳送門?還是外星文明的戴森環?

——都不是!其實,這是一個含有有機物多環芳香烴的古老星系,其名為 SPT0418-47。因為名字很長,以下我們就簡稱為 SPT0418 吧!

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這個觀測結果有什麼特殊意義?這代表我們發現外星生命了嗎?

SPT0418 是怎麼被拍到的?扭曲時空的重力透鏡!

一年前,在韋伯望遠鏡傳回第一組令人震撼的照片時,我們製作了兩期節目來介紹韋伯望遠鏡,和它在天文觀測史上跨時代的重要意義。在那之後,也有不少泛糰敲碗,希望我們可以再繼續介紹韋伯望遠鏡的後續發展。

這次在週年前夕公開的這張 SPT0418 照片,是一張標標準準因為重力透鏡而形成的美麗照片。「重力透鏡 Gravitational Lensing」這個概念,相信有在關注天文物理的泛糰們,應該都有聽過。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們,星系與星系團的龐大質量會扭曲它們周圍的時空,就像一面星系尺度的超級放大鏡一樣,可以在光線通過時改變它們的走向,從而扭曲背景星系的影像。而如果背景星系與前方的前景星系剛好前後對齊的話,重力透鏡效應還能將背景星系扭曲成美麗的環型,這個環型被稱為「愛因斯坦環 Einstein Ring」。

背景星系從黑洞後面經過時的重力透鏡效應模擬影像。圖/Wikimedia

乍聽之下,重力透鏡會扭曲背景星系影像,好像會干擾觀察,是個缺點。但實際上重力透鏡在扭曲影像的同時,也會聚焦背景星系發出的光,從而讓背景星系變得更加明亮而容易觀測,讓天文學家可以看到更遠或更暗的天體。因此雖然扭曲的影像會增加分析上的麻煩,但天文學家其實非常喜歡觀測這些受重力透鏡效應影響的天體們。甚至會專門安排觀測計畫,拍攝這些受重力透鏡效應影響的區域。這次的主角 SPT0418,正是韋伯太空望遠鏡針對重力透鏡效應開展的「TEMPLATES 」觀測計畫的其中一個觀察對象。

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SPT0418 是一個位於時鐘座(Horologium)方向,距離地球約 123 億光年遠的古老星系。最早在南極望遠鏡(SPT)的觀測資料中被發現,並在後續以阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列 ALMA 進行的觀測中,確認了它是一個富含大量塵埃,而且正在以每年約 350 個太陽質量的超高速率生成恆星的星系。

在我們與 SPT0418 之間,還存在著一個前景星系。正是這個前景星系的質量扭曲了周圍的時空,像一片巨大的放大鏡一樣將背後的 SPT0418 扭成了漂亮的愛因斯坦環。

當觀察者、前景星系和背景星系在同一直線上時,就可以透過重力透鏡效應觀測到愛因斯坦環。圖/PanSci YouTube

在這張經過調色的照片中,中間的藍色部分就是前景星系,旁邊的橘色環則是因為重力透鏡而扭曲的 SPT0418 。得益於這個重力透鏡,SPT0418 的影像被增亮了三十倍以上,非常適合讓天文學家一窺早期宇宙中星系的狀態,因此被選為韋伯的觀測目標。

韋伯望遠鏡藉由重力透鏡效應拍攝到的扭曲的古老星系 SPT0418-47。圖/J. Spilker/S. Doyle, NASA, ESA, CSA

那麼,這次的觀測又有什麼重要意義呢?

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多環芳香烴是什麼?看見它代表什麼意義?

這次的拍攝結果不能完全說是意外,因為在這個研究中,韋伯的目標非常明確,就是要尋找古老星系中的多環芳香烴。

在天文學上,多環芳香烴通常指兩個以上的苯環所組成的有機化合物的統稱,人們一般以它的簡稱「PAH」來稱呼它。

發現有機分子,難道這代表有生命存在於古老星系中嗎?其實不能這麼快下定論。

因為 PAH 廣泛存在於各式各樣的星系中,與其他由碳和矽組成的塵埃顆粒,同屬於星際塵埃的一部分。甚至在彗星、小行星、隕石中,都能發現各式各樣的 PAH。目前認為,宇宙中可能有超過 20% 的碳原子,都是以 PAH 的方式存在,只是環數不盡相同。

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圖中右側的黑色暗帶為星際塵埃。圖/NASA, ESA, and the LEGUS team

所以,雖然科學家認為,宇宙中的生命誕生,可能與這些這些遍布其中的有機分子有關。但發現 PAH,不能直接與發現生命劃上等號。

過去數十年的天文觀測結果也顯示,PAH 確實廣泛存在於星系之中,但是天文學家對於這些分子究竟如何形成?又是什麼時候形成的?目前還沒有共識。因此迫切需要更多觀測,例如這次的目標 SPT0418 是個距離我們非常遙遠的古老星系,對於研究宇宙早期星系以及 PAH 的起源就很有幫助。

觀察 PAH 的困難及韋伯望遠鏡的重大突破

然而,要觀察 PAH 卻不太容易。原因是這些 PAH 發出的光,波長主要都集中在幾微米到十幾微米的近紅外與中紅外線波段。這個波段的光線受到大氣層的吸收非常嚴重,幾乎無法從地面觀測,因此過去我們很難取得相關數據。想要尋找 PAH 的蹤跡,勢必得使用紅外線太空望遠鏡才行。

這時,就是韋伯大展身手的時候了。比起同樣專注於紅外光譜的前輩史匹哲太空望遠鏡,韋伯的鏡片直徑大了超過七倍,集光面積更是大了將近六十倍,這不僅讓韋伯能夠拍攝遠比史匹哲更清晰的影像,更可以在更短的時間內拍攝到更暗的目標。

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得益於韋伯強大的觀測能力,在這個研究中它僅僅對著 SPT0418 曝光了不到一個小時的時間,就在 3.3 微米的波段找到了清晰的 PAH 發射譜線,確認了PAH的存在的同時,也打破了觀測到最遠的 PAH 訊號的紀錄。

此外天文學家也發現,韋伯所拍攝到的 SPT0418 與前幾年使用 ALMA 觀測到的影像並不全然相同。

由於觀測波段不同,不同的望遠鏡拍攝同一天體的亮部分布會產生差異。圖/PanSci Youtube

由於韋伯拍攝的是 PAH 發出的近紅外光,而 ALMA 拍攝到的則是毫米尺寸的大顆粒塵埃所發出的遠紅外線,因此這可能代表 SPT0418 這個星系的不同部分,有著不同的塵埃組成。為甚麼會這樣呢?天文學家目前也沒有肯定的答案,需要更多的觀測來進一步釐清。

任務還在繼續!TEMPLATES 計畫持續追蹤 PAH 足跡

韋伯對 SPT0418 拍攝的照片,不僅打破了人類探測過離太陽系最遠的 PAH 訊號紀錄,更展示了在重力透鏡加韋伯的攜手合作下,能大幅拓展人類觀測遙遠星系的能力。除了 SPT0418 之外,天文學家還預計觀測另外三個被重力透鏡放大的星系,尋找並研究其中 PAH 的足跡,以解開星系與星際塵埃的演化之謎。

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韋伯望遠鏡的「TEMPLATES 」計畫預計觀測四個被重力透鏡效應放大的天體。圖/JWST ERS Program TEMPLATES

雖然還有許多未解之謎,但韋伯傳回來的每張相片,都能讓我們能更了解這個宇宙一點點。最後想問問大家,韋伯望遠鏡正式展開拍攝工作屆滿一年,你最喜歡,或最希望我們繼續來講解的照片是哪一張呢?

  1. 土星、天王星和海王星的行星環高清照
  2. 大爆炸後 3.2 億年就誕生的的古老星系
  3. 即將蛻變為超新星的恆星照
  4. 更多你覺得美麗的照片,分享給我們吧

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來自137 億年前的訊息!透過重力波,一窺「宇宙誕生」的真相──《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
・2022/08/09 ・4055字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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。

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圖/GIPHY

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。

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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

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。

目前科學界的研究和觀測結果大多支持大霹靂學說。圖/NASA

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?

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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%。

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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。

宇宙仍在不斷的擴大。圖/NASA

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」

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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))。

在大霹靂學說中,宇宙微波背景輻射是宇宙誕生時所遺留下來的熱輻射。圖/ESA

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。

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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。

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重力波可以分成兩種,來自近期星體活動的重力波,以及來自宇宙誕生的背景重力波。圖/台灣東販

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。

重力波由十字形、交叉型兩種偏振方式所組成。圖/台灣東販

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。

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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。

量子擾動除了會造成時間擾動,在某些條件下,我們也可以在巨觀視界下感受到密度和溫度的擾動。圖/台灣東販

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。

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