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時空中偏好某方向的新證據挑戰宇宙學原理

only-perception
・2011/09/11 ・914字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

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根據宇宙學原理,當以宇宙尺度觀看時,宇宙中沒有特殊的地點或方向。這個假設使哥白尼能提出地球並非在宇宙的中心,使現代科學家能假定物理定律到處都一樣。由於宇宙學原理,科學家也能假設宇宙是「同質性(homogeneous)」 — 各處結構均一 — 以及「等向性(isotropic)」 — 各處特性一致。

但最近幾項研究發現,宇宙學異向性(anisotropy)可能存在:尤其是,宇宙的擴張,在某方向上以比另一方向更快的速率加速。在最近的研究中,科學家分析來自 557 個 Type 1a 超新星的資料並發現,在與某些先前研究一致的情況下,宇宙的擴張似乎在一小部份的北銀河半球(northern galactic hemisphere)的方向上被加速的更快。

這些研究者,來自北京,中國科學院的 Rong-Gen Cai(蔡榮根)與 Zhong-Liang Tuo(音譯:余忠良),已將其研究張貼在 arXiv.org 上。

身為「標準燭光」的 Type 1a 超新星對宇宙學家來說是一項有價值的工具,因為它們前後一致的最高亮度,讓研究者能以高準確度測量它們的距離。這些超新星觀測在 1998 年著名地揭露,宇宙不只是在擴張,而且是以某種加速速率這麼做。而現在,某些在天空不同位置上的 Type 1a 超新星觀測暗示,這種加速並非在所有方向上都一樣。

在他們的分析中,Cai 與 Tuo 觀察減速參數(deceleration parameter),q0,以量化北銀河半球以及南銀河半球的異向性程度。如同科學家們在他們的研究中的解釋,在 q0 值較小的方向上,其擴張速度比 q0 值較大的快。研究者使用動態暗能量模型以及沒有暗能量的標準模型來分析資料,並發現這些模型都展現相似結果:分別是 0.76 與 0.79 的異向性偏差,以及各自偏好的方向:(309°, 21°) 與 (314°, 28°)。如 Physics arXiv Blog 所提到的,最大加速方向位於北半球的黯淡星座,狐狸座(Vulpecula)。

但如同 Cai 與 Tuo 在其研究中所言,這案子離結案還很遠。相較於當前的結果,先前某些 Type 1a 超新星資料的分析,並沒有在異向性上發現任何統計上顯著的證據。而許多其他資料 — 例如宇宙微波背景輻射、星系統計以及暗物質暈(dark matter haloes)– 都強烈支持宇宙尺度上的同質性與等向性。

然而考慮到宇宙學原理是現代宇宙學的支柱之一,其在基礎上的重要性難以誇大,威脅其可信度並非易事。若宇宙學原理最後證明是錯的,那將大幅改變我們看待世界的方式。

資料來源:PHYSORG: New evidence for a preferred direction in spacetime challenges the cosmological principle [September 7, 2011]

轉載自 only-perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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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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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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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。

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從黑洞自旋速度推估「暗物質」的可能真面目!——極輕玻色子
ntucase_96
・2021/11/12 ・2341字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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  • 撰文|劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報 《宇宙中的旋轉木馬——利用黑洞尋找暗物質

空無一人的遊樂園中,旋轉木馬快速的旋轉著。突然,憑空出現一群小孩跳上木馬,從旋轉木馬獲得高速後,又集體跳下,一哄而散,只留下轉速驟降,緩慢旋轉的木馬……。這看似荒誕的場景,卻是理論預測可能在宇宙中隨時發生的事。其中旋轉木馬指的是什麼?憑空出現的孩子們又代表了誰?

圖/pixabay

在生活的周遭,我們能夠感受到(看到、摸到)某個東西存在。是因為構成我們周遭世界的粒子,幾乎都會透過電磁力互相作用。但是在廣闊的宇宙中,這樣的物質只佔總數的 15%,剩下 85% 物質,我們摸不到、看不到,因此被稱為「暗」物質。科學家透過天文觀測證據,推測在宇宙中必須存在龐大數量的暗物質,它們提供的重力,使各個星系不至於分崩離析。因此,暗物質是種「我們知道它應該要存在,但又不知道它是什麼」的東西,是當下最前沿的物理學研究在嘗試明白的重要議題。關於暗物質的真面目,目前有各種物理模型嘗試描述,其中一模型預測了一種假想粒子:「極輕玻色子[1]」。

印度物理學家-薩特延德拉·納特·玻色,他的量子物理研究為愛因斯坦凝聚理論提供了基礎;玻色子就是以他的名字為命名依據。
(圖/維基百科

暗物質的可能真面目——極輕玻色子

在基本粒子中,電子的質量已經算是較輕的。而極輕玻色子,它的質量大約只有電子質量的 10 億分之一,因此稱它為「極輕」,和其他理論模型預測的大質量暗物質候選人區隔。由於他們幾乎不跟周圍的物質發生交互作用,因此到目前為止,科學家尚無法確認這種粒子究竟存不存在。如果存在,那它們很有可能就是暗物質的真面目。

面對這種未知,科學家們是如何尋找暗物質的呢?其中一種策略是「排除法」。想像我們有天回家時發現手機不見了,理論上來說,手機可能出現的地方有無數個,但我們會透過回憶、親朋好友的描述,來限縮手機可能出現的範圍,如此就能避免海底撈針的窘境,大大增加了找到的可能性。

根據理論推估,極輕玻色子的質量範圍可能落在 10-33-10-6 電子伏特這麼龐大的範圍之中。科學家目前正嘗試用各種方法,有的經由設計精密的實驗對特定質量範圍進行地毯式搜索,有的透過天文觀測數據嘗試去限縮可能的質量範圍。在《物理評論快訊》4 月的一篇論文中[2],麻省理工學院-雷射干涉引力波天文台(LIGO)實驗室的科學家,利用「黑洞」來搜尋這種極輕粒子。這種概念聽起來十分不可思議,黑洞的質量至少是電子的倍,比極輕玻色子的質量至少大了 70 個數量級,作為對比,一個成年人和太陽質量大約只差了 30 個數量級。如此一個超級巨型的天體,是如何與微觀世界的基本粒子扯上關係的呢?這要提到量子理論預測的神奇現象:「超輻射(Superradiance)」。

麻省理工學院-雷射干涉引力波天文台(LIGO)。(圖/ LIGO

超輻射與黑洞自旋速度

量子理論告訴我們,在非常小的尺度下,古典理論將會失效,我們不再能將粒子視為一個單一質點。這個尺度被稱為康普頓波長(Compton Wavelength),它和粒子的質量成反比。質量極小的極輕玻色子,所對應的康普頓波長則非常大。對於特定質量的玻色子,其康普頓波長會和黑洞的尺寸差不多。當這個條件滿足,超輻射便會發生:黑洞附近強大的重力場,從真空中產生數量龐大的玻色子向外輻射出。這些玻色子,會將黑洞的能量帶走,使其自旋減慢。根據科學家的估計,這個減速作用可以持續數千年,使黑洞的自旋速度明顯減慢。

(圖/ pixabay

黑洞的自旋速度,可以透過分析 LIGO 偵測器訊號得知。LIGO 偵測器主要偵測黑洞、中子星互相環繞、合併所放出的微弱重力波訊號(關於重力波偵測器的更多詳細介紹,可參考 CASE:「愛因斯坦預測成真:首次偵測到重力波訊號」及相關系列文章)。研究團隊分析了 45 組黑洞互繞事件,這些黑洞具有 10-70 倍太陽質量。這對應到和它們發生交互作用的玻色子質量介於電子伏特。

其中有兩個黑洞,被發現以非常高的轉速在旋轉著。若是這個質量範圍的玻色子確實存在,那這些黑洞速度應該被減速至一半以下。因此,這兩個高轉速黑洞的存在,暗示著沒有與其發生交互作用的極輕玻色子。那有沒有可能黑洞的確被減速,但存在其他加速機制使黑洞又重新被加速?例如藉由吸入大量吸積盤[2]物質,獲得能量及動量?研究團隊也對此進行了仔細的估算,發現各種重新加速的機制,皆要耗費極長時間才能加速到現在的速度,這種可能性微乎其微。因此,這兩個高轉速黑洞的存在,基本上可以排除了特定範圍的極輕玻色子質量範圍。

這個實驗協助縮小了搜尋極輕玻色子的質量範圍,也是首個利用黑洞重力波資訊尋找暗物質的嘗試,可以說是一個重力波實驗與粒子物理很棒的跨界合作!

註解

  1. 在量子力學中,粒子可被分為「費米子」、「玻色子」,兩者具有截然不同的性質。若以比喻的說法,費米子較為孤僻,不喜歡大量群聚;玻色子則恰恰相反。
  2. 在黑洞周圍,受黑洞強大重力吸引的物質所形成的圓盤狀結構。

參考資料

  1. Fast-spinning black holes narrow the search for dark matter particles
  2. K. Y. Ng et al. , Constraints on Ultralight Scalar Bosons within Black Hole Spin Measurements from the LIGO-Virgo GWTC-2, Phys. Rev. Lett. 126, 151102. 2021
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ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。