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NASA計畫打造宇宙中最冷的地方—低溫原子實驗室

臺北天文館_96
・2014/02/16 ・1518字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

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大家都知道太空中溫度很低。在恆星和星系彼此間的廣袤空間,氣體物質的溫度僅有絕對溫度3K,相當於攝氏零下270度左右。不過,美國航太總署(NASA)科學家現在想要在國際太空站(International Space Station,ISS)中打造一間實驗室,溫度將比3K還低。

NASA下所屬的噴射推進實驗室(JPL)低溫原子實驗室(Cold Atom Lab,CAL)計畫主持人Rob Thompson表示:這個計畫將研究遠低於自然界溫度的物質,目標是絕對溫度100塵度(pico-Kelvin,註:pico,塵,兆分之一)。目前這個原子冷凍庫預定將在2016年發射並裝置在ISS中。如果建置成功,這將是已知宇宙中最冷的地方。

100塵度相當於絕對零度(0K)之上約100億分之1度,在此溫度下,理論上所有原子的熱活動都會停止,一般常說的固態、液態、氣態也不再有意義,反倒使原子彼此間的交互作用創造了一種新的量子物質型態。

量子力學是物理學的分支之一,應用於原子尺度的光和物質。在量子領域中,物質可以幾乎同時出現在兩個地方,物體行為可以是粒子也可以是波動,沒有任何事物是確定無疑的,量子世界依靠的是機率。簡單來說,量子世界和你我熟知的世界大不相同,這也是為何Thompson等人要打造低溫原子實驗室的原因。他們要研究的目標,是所謂的「玻色–愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensates,BEC)」。

1995年時,研究學者發現在銣原子氣體冷卻到接近絕對零度時,會凝聚成一種單一物質波;鈉原子氣體也有同樣的情形,由於當初在1920年代,玻色(atyendra Bose)和愛因斯坦(Albert Einstein)曾就此提出過預言,因此這個新發現被稱為玻色–愛因斯坦凝聚。2001年時,美國麻省理工學院(MIT)Wolfgang Ketterle、美國國家標準技術研究所(National Institute of Standards & Technology)Eric Cornell和科羅拉多大學(University of Colorado)Carl Wieman因為個別獨立發現這樣的現象而獲得諾貝爾物理獎。

有趣的是,如果製造出兩種BEC並將之放在一起,它們並不會像普通氣體一樣混和,反而會像波動一樣產生干涉現象,因而出現薄而平行的物質層,而層與層之間是則是空無一物的空間。在一個BEC中的原子,與另一個BEC中的原子相加後的結果,居然是….半個原子都沒有!低溫原子實驗室就在幫助科學家瞭解這些這些物體在可能是最低溫狀態的行為。

科學家可在低溫原子實驗室混合超低溫氣體,藉機觀察會發生何事。將不同種類的原子予以混合後,它們會幾乎毫無干擾的懸浮在一起,這讓科學家得以對它們之間極其微弱的交互作用進行更靈敏而精密的測量,或許可藉機發現有趣而新奇的量子現象。

在太空中繞地球公轉的國際太空站由於受到的地球重力不大,在此能將物質降溫到很冷的程度,遠比在地球表面可製造的最低溫還低得多。這是因為根據熱力學原理,當氣體膨脹時會冷卻;這種現象相當常見,例如當按壓噴霧罐讓氣體噴出時,便可感覺到噴霧罐的罐身變冷了。量子氣體冷卻的方式和噴霧罐幾乎相同,只不過是將噴霧罐換成所謂的「磁阱(magnetic trap)」。在國際太空站中,因重力微弱,原子不需要對抗重力的拉扯,使得磁阱也可弄得非常微弱,而微弱的磁阱則讓氣體膨脹而冷卻的程度比地面更甚,從而能製造一個超低溫環境。

不過,低溫原子實驗室建置完成後,科學家們也不確定底會通過這個實驗室而發現什麼,即使湯普森列出了一堆諸如量子感應器(quantum sensors)、物質波干涉儀(matter wave interferometer)、原子雷射(atomic laser)等等可「實際應用」的清單,不過聽起來還是很像科幻小說的情節。所以,事實上,這個低溫原子實驗室將引領科學界進入一個未知的領域。

科學家們期望低溫原子實驗室能成為通往量子世界的敲門磚。如果溫度夠低,或許科學家們可研究聚集成約人髮寬度的原子波,以人眼可以觀察到這些物質波,如此一來,將量子世界提升至巨觀世界後,或許能更容易發現量子世界的秘密。

資料來源:The Coldest Spot in the Known Universe. NASA Science [January 30, 2014]

轉載自網路天文館


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臺北天文館_96
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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)


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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。