暗物質比先前認為的還要「暗」

愛因斯坦對於宇宙的理解錯了嗎？

愛因斯坦的廣義相對論重新改寫我們對於時間、空間、與質量的認知，也開啟我們對廣大宇宙研究的大門。

在宇宙物理學如同大霹靂快速發展之時，我們也發現愛因斯坦最早提出的宇宙模型，可能並不完全正確。

正確來說，我們發現我們過去對宇宙的理解，可能真的太少了。少到我們至今所觀測到的所有物質，可能仍不到整個宇宙組成的百分之五。並不是說這些能量或物質距離我們太過遙遠，而是他們可能就在附近，而我們卻全然不了解它。

其中佔了將近宇宙組成七成的「暗能量」，到底是什麼來頭？我們能徹底了解它，同時能為我們宇宙的存在，提供一個正確的解釋模型嗎？又或者我們能掌握它，來改變宇宙的未來嗎？

暗能量（dark energy）到底是什麼？這聽起來有夠中二的名字，難道是暗影大人的新能力嗎？

其實暗能量的「暗」，指的是我們看不到也摸不到，用上各種波段的電磁波都察覺不到，甚至現今沒有任何儀器能偵測到它的存在。因為我們無法感受到它、不知道他們的型態，所以稱為暗能量。也就是說，如果暗影大人或是哪個最終 BOSS 的絕招是「暗能量波動」，當巨大的能量朝你襲來，不用擔心，站在原地就好，因為它只會穿過你的身體，打不中你的。同樣的，你可能聽過的「暗物質」，指的也是我們無法探知的未知物質。也就是說，暗物質並不是指某種特定物質叫做暗物質，任何我們現在還無法探測到的，都可能是暗物質的其中一種。題外話，近年某些暗物質面紗底下的容貌，已經逐漸能被我們窺見，例如微中子。這部分，之後我們介紹暗物質的節目中，再來好好討論，今天先來和大家聊聊佔了宇宙質能 7 成的暗能量。

矛盾大對決來了，既然我們摸不到，也看不到，我們怎麼知道暗能量存在，還是僅存在我們的中二想像中呢？我們得將時間回推到最早認為宇宙中有未知能量存在的那個人，他不是別人，就是鼎鼎大名的愛因斯坦。

1916 年愛因斯坦推導出廣義相對論，解釋物質和能量如何影響時空的彎曲和演化。愛因斯坦當時認為，宇宙應該是靜態的，但是若宇宙中只有物質，宇宙應該會受重力吸引而塌縮，因此需要與反向的能量來平衡重力，這股能量平均地存在在空間當中。愛因斯坦當時引入了宇宙常數 Λ 來平衡他的靜態宇宙模型，而直到非常近期的 1998 年，暗能量 (dark energy) 這個詞才由物理學家麥可．特納提出。

在愛因斯坦之後，著名宇宙學家傅里德曼提出不同看法，他認為宇宙不一定是平衡的，也可能正在收縮或膨脹當中，並根據廣義相對論推導出 Fridemann 方程式，關於 Fridemann 方程式的故事，先前我們有好好介紹過。

暗能量不只存在於理論上的預測，同時期天文學家開始發現我們熟知的銀河系，並無法代表整個宇宙，原來夜空中很多像星雲的天體，其實是遙遠的星系！宇宙遠比以前認為得大的太多了！1929 年，哈伯進一步發現，這些星系竟然正在遠離我們而去，而且距離我們愈遠的星系，遠離的速度就愈快！宇宙竟然真的是以地球為中心，而地球利用強大的排斥力，將其他星系用力向外推開嗎？當然不是，想像一下，宇宙就像一個葡萄乾麵包，上面布滿的葡萄乾就是各種天體，當麵包發酵膨脹時，不論站在哪顆葡萄乾的視角，所有天體的距離都是互相拉遠，而且距離愈遠的天體，彼此遠離的速度就愈快。

也就是說，哈伯觀測到的結果顯示整個宇宙正在膨脹。但還有一個問題，就是這個宇宙的膨脹速度，是隨著時間經過越來越快的加速膨脹，還是膨脹速度正隨著時間在趨緩的減速膨脹呢？為什麼這個問題很重要？因為如果是減速膨脹，靠現有的重力理論就可以解釋，宇宙中天體所提供的重力，正在使宇宙減速膨脹，甚至宇宙的結局可能會是宇宙重新塌縮。但如果宇宙正在加速膨脹，那麼只考慮重力就不夠了，為了抵抗向內塌縮的重力，勢必要有一股力量要將宇宙向外加速推開。這時，就需要加入暗能量的存在了。

宇宙真的正在加速膨脹？

為了確認宇宙正在減速或加速膨脹，好推算暗能量是否存在，科學家再次將目光投向宇宙深處。隨著觀測技術愈來愈進步，天文學家可以透過不同方式，觀測更早期的宇宙。

愈遠的天體發出的光，需要經過愈長的時間才能傳到地球。假設我們觀察離地球1億光年遠的星球，由於我們看到的影像是從星球出發後，經過 1 億年後才到達地球，因此在望遠鏡中看到的，其實是該星球一億年前的樣子。只要利用這點，如果我們將望遠鏡頭對向更加遙遠的宇宙深處，就能看到更早期的宇宙樣貌，幫助我們了解宇宙過去的樣子。

科學家主要透過三種方法，分別用來觀測晚期、中期、到早期的宇宙。第一種方法是觀測 Ia 型超新星爆炸，它指的是當一顆緻密白矮星到了生命末期，吸收大量鄰近伴星的氣體，使得內部重力超過某個極限，引發失控的核融合而形成的超新星爆炸。這個爆炸會在瞬間釋放出許多能量，亮度甚至可以媲美整個星系，因此即使是很遙遠的超新星也可以被地球觀測到。最受天文學家關注的是，因為每個 Ia 型超新星爆炸時產生的尖峰光度都相同，可以直接作為觀測或是亮度的比對參考點，又稱為標準燭光。當它離我們愈遠亮度就愈小，只要觀測亮度就可以得知它離我們的距離。

接著，透過光譜分析，我們還能得到這個超新星遠離我的的速度。這就像是救護車在靠近和遠離我們的時候，警笛的聲音頻率會因為我們和救護車相對速度的改變而產生變化，同樣的道理放在電磁波上，當超新星遠離我們，電磁波頻譜的頻率會下降，我們稱為頻譜「紅移」。最後，只要我們同時觀測好幾顆超新星，並且量測每一顆的距離和遠離我們的速度，看看是不是真的離我們越遠的超新星離開的速度越快，就可以知道宇宙正在加速或是減速膨脹。

第二種方法是觀測宇宙大尺度結構，宇宙中星系的分佈其實是不均勻的，有些地方有星系團，也有一些地方是孔洞，整個宇宙就像是網子一樣。這是因為宇宙在形成星系時，向內的重力以及向外的氣體與光壓力會彼此抗衡，就像我們在擠壓彈力球一樣，向內壓時內部壓力會增強，導致物質向外拋射，壓力減弱後又會停止拋射，這樣來回震盪的過程，就在宇宙中形成一個個震波漣漪，稱為重子聲學振盪（BAO，baryon acoustic oscillations）。有趣的是，當好幾個地方都在震盪，就會產生類似好幾個水波互相撞在一起的干涉現象。而這個宇宙規模的超大水波槽中，波腹部份聚集較多物質就會形成星系團，波節部份不足以形成星系就形成孔洞，是不是覺得我們的宇宙就像是一鍋湯，而我們只是裡面毫不起眼的一顆胡椒粒呢？不過即使是連一粒胡椒都不如的我們，透過觀測宇宙星系分布並透過理論計算，人類科學家還是可以得知這些結構的大小，並且推知這些結構上的星系距離我們多遠，最後再搭配紅移光譜，一樣可以算出宇宙膨脹的速度。今年七月升空，11 月 8 號從太空傳回第一張照片的歐幾里得太空望遠鏡，它的其中一項任務，就是專門觀測重子聲學振盪，來研究宇宙大尺度結構。歐幾里得太空望遠鏡有望帶給我們對宇宙的全新認知，關於這一部分，我們很快會再來深入介紹。

第三種方法是透過觀測宇宙微波背景輻射，它是宇宙的第一道曙光，在此以前，宇宙能量很高，光和電漿相互作用，不會走直線。但是到了宇宙三十八萬歲時，宇宙已經冷卻到足以讓電子與原子核結合，宇宙終於變得乾淨了，光也終於可以走直線。而三十八萬歲時的早期宇宙的畫面，至今仍不斷經過遙遙 137 億年的時間抵達地球，被我們觀測到，稱為宇宙微波背景輻射。有趣的是，根據這些照片，我們能發現早在 137 億年前，宇宙各處就不是均勻的。透過分析這些微波的分布，科學家能計算出當時宇宙的組成成份。這時我們發現，目前的已知物質，也就是元素週期表上看得到的原子，只佔所有能量的 4.93%，而看不到的暗物質，佔 27.17%，那還有 67.9%，將近七成的組成分是什麼？科學家認為就是暗能量。

哇！暗能量佔的比例這麼高？那我們未來有機會從空間中汲取無限的能量嗎？先不要想的這麼美，其實暗能量在宇宙中的密度很低，依照質能等價公式，質量跟能量是可以互相換算的。換算下來暗能量每立方公分只有 10 的負 24 次方公克，相比之下，水的密度是立方公分 1 公克！真的微乎其微。之所以暗能量在宇宙中佔的能量比這麼大，是因為它均勻的存在在廣大無垠的宇宙中，不像一般的物質，只集中在一些星系和星體中。

現在我們知道暗能量存在，而且量也不少，但回到最關鍵問題，這些暗能量到底是怎麼來的呢？

宇宙與暗能量的未來

科學家普遍認為暗能量是來自「真空能量」，根據量子力學，我們過往認為的真空，其實會不斷短暫的出現粒子並消失。而這些量子漲落便會產生真空能量。雖然這聽起來很玄，但各位看完我們的影片並按下訂閱之後，這些訂閱數就一定會是真的。都看到影片最後一段了，就拜託大家再多動一下手指吧！

而量子力學除了能在真空中產生真空能量以外，這個過程甚至可能幫助我們開啟蟲洞！關於真空能量與時空旅行的關係，可以參考我們的這一集哦（閃電俠）。

為了重新認識我們的宇宙，科學家此時再次拿出了宇宙常數 Λ 和 Fridemann 方程式，建立了一個可以完美解釋前面三種觀測結果的模型－ΛCDM 模型。

ΛCDM 是近代在解釋宇宙微波背景輻射、宇宙大爆炸時，最常被使用的理論。目前對於宇宙歷史與加速膨脹的圖像，也都基於此模型。

不過 ΛCDM 理論仍有兩個致命的問題待解決。第一個是理論中的宇宙常數 Λ，應該要與位置、時間無關，是一個不隨時間變化的常數。然而針對觀測早期和晚期宇宙所計算出來的宇宙常數數值卻不一樣，要如何解釋這個觀測差異？第二個問題是，假設暗能量是真空中的量子漲落所造成，依此推算出的宇宙常數數值，還跟觀測差了 120 個數量級！也就是 10 後面有 120 個零，整個宇宙中的原子數量也才 82 個數量級而已！

因此科學家也提出其他可能的暗物質理論。比如認為暗能量不是來自真空能量，而是由一種未知的粒子場所驅動，而這個場與時間有關，導致早期和晚期宇宙的觀測結果有差異。還有人認為根本沒有暗能量存在，宇宙會膨脹，是因為愛因斯坦的廣義相對論在宇宙學這種大尺度中是不適用的！就像牛頓的萬有引力公式在地球上管用，到了太陽系規模就會出現誤差。或許在宇宙規模還有比廣義相對論更完備的其他理論等待我們發現！另一派科學家也認為沒有暗能量，我們會看到加速膨脹，只是因為銀河系剛好位於宇宙大尺度結構的孔洞中，也就是葡萄乾麵包裡面空氣比較多，口感比較鬆的地方，由於這個地方總體重力比較小，天體也就是葡萄乾之間向外膨脹的速度比較快，但不代表整個葡萄乾麵包都在加速膨脹，宇宙加速膨脹只是局部觀測的假象。

這些理論或許可以解釋部份的問題，但沒有一個能解釋所有觀測數據，而且由於觀測的限制，這些理論都缺乏數據的佐證。因此目前我們只能說，暗能量的效應確實存在，但我們還不知道它確切是什麼。

有人可能想問，研究暗物質對我們真的那麼重要嗎？其實，它不只影響了宇宙過去演化的歷史，也影響著我們將來的命運。由於宇宙膨脹，物質的密度會因為膨脹被稀釋，但如果暗能量是常數，就代表密度不會改變，因此宇宙會膨脹的愈來愈快，導致遙遠的星系加速離我們遠去，最後暗能量會超過所有的基本作用力，包括重力、電磁力和核力，星系、太陽系、地球都將被拉開，甚至中子和質子都互相分離，使原子不復存在，進入大撕裂時期，也將是宇宙最孤獨的結局。不過這是一百多億年後的事情，在那之前地球會先被死去的太陽吞沒，我們應該要先煩惱的是要如何移民其他星球才是。

最後總結一下，暗能量到底是什麼？很抱歉，經過了幾十年的努力，這個問題依舊是一個問號，但藉由宇宙學的研究，使我們更謙卑更加發覺自身的渺小，我們或許已經掌握許多物質運作的原理，也開發出許多高科技產品，但這些只是整個宇宙的 5% 仔，宇宙中還有許多未知等待我們去探索，而它深深關係到我們的過去和未來。

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參考資料

• 解析北京清大「推翻 」方程式背後深意！白紙革命爭自由民主平等
• https://arxiv.org/pdf/1807.06209.pdf
• https://news.harvard.edu/gazette/stor…

• 文／Heidi
• 本文編譯自《Science’s 2022 Breakthrough of the Year: A telescope’s golden eye sees the universe anew》

回顧 2022 年，有沒有讓你印象特別深刻的科學新聞呢？約莫兩星期前，《Science》雜誌公布了今年的十大科學突破，從農業到藝術、從細菌到宇宙、從百萬年前的生態到人類的未來，每一項突破都和我們的日常生活息息相關。

好啦，廢話不多說，現在就來揭曉答案吧！

十大突破之首——遙望宇宙的韋伯太空望遠鏡

今年，韋伯太空望遠鏡（JWST）帶來的震撼，相信你我都印象深刻。

早在 1990 年，哈伯太空望遠鏡發射升空後，科學家就開始規劃下一步。他們不只想看見更遙遠的宇宙，也想透過不同的波長，分析地外生命存在的可能性。

哈伯望遠鏡的觀測波段以可見光為主。確實，紫外線和可見光波長最有利於觀測誕生不久的新星，但隨著數十億年過去，這些新星發出的光，穿過不斷膨脹的宇宙，來到地球，被拉伸到更長的紅外線波長後，哈伯就沒輒了⋯⋯

• 延伸閱讀：為何 NASA 不惜大撒幣也要把它送上太空？——認識韋伯太空望遠鏡（一）
• 延伸閱讀：史上最大口徑的 JWST 要如何塞進火箭？——認識韋伯太空望遠鏡（二）

那麼，要怎麼看見更遙遠的宇宙呢？去年底，歷時 20 年建造、造價 100 億美元的「韋伯太空望遠鏡」順利升空，開啟 150 萬公里的長征。韋伯搭載的科學儀器可以觀測紅外線波段，包括來自宇宙第一批恆星和星系發出的光。

• 延伸閱讀：太空巨獸 JWST 升空後的 150 萬里長征 —— 認識韋伯太空望遠鏡（三）
• 延伸閱讀：淺談 JWST 的科學意義：探索宇宙深處與塵埃後的外星世界！——認識韋伯太空望遠鏡（四）

今年 6 月底，韋伯開始收集數據，三星期後就傳回了第一批深空照片，讓科學家看見了更遙遠、更古老的新星系，徹底改寫我們對宇宙的認識。對於天文學界來說，這是一個充滿奇蹟的時代，韋伯望遠鏡也因此榮登 2022 年最重要的科學突破。

• 延伸閱讀：解析韋伯太空望遠鏡第一批影像背後的科學意義

研發多年生水稻 PR23，減輕農民耕作負擔

盤點世界上最主要的糧食作物，水稻肯定有一席之地！現今，大部分水稻都是一年二至三穫，每年收穫後都得重新種植，對農民來說是非常耗時、費力的工作。

今年 11 月，中國雲南大學農學院的研究團隊在《Nature Sustainability》發表他們十餘年來嘔心瀝血的研究成果——多年生水稻「PR23」。這是長雄野生稻和 RD23 栽培稻的雜交種，不但可以達到和傳統水稻相仿的產量，還可以省下農民的大把時間、精力與成本。

PR23 第一年的稻作成本與傳統水稻差不多，但從第二年開始，農民就可以跳過育秧、犁田、移栽幼苗的步驟，降低約 50% 的人力成本，到了第五年才需要重新種植。

在中國，PR23 的種植面積超過了 15,000 公頃，平均產量則是每公頃 6.8 噸，略高於傳統水稻。根據非洲和東南亞的試驗數據，PR23 還可以改善土壤結構、增加有機質含量、減少梯田和高地的水土流失。

與此同時，科學家也正在觀察兩個潛在問題：一、雜草和病原體是否會積累在田地中，導致 PR23 需要更多除草劑，二、是否會排放更多的一氧化二氮，加劇溫室效應。但目前不可否認的是，多年生水稻有助於降低成本、提高收益，確實是一項重要的突破。

• 延伸閱讀：如何幫畜牧業減排溫室氣體？——教會小奶牛上廁所，可有效降低「一氧化二氮」排放！

誰說 AI 沒創意？AI 的創造力可是超乎想像呢！

說到 AI，有沒有讓你想起去年的十大科學突破呢？沒錯，去年的十大突破之首就是預測蛋白質 3D 結構的 DeepMind 團隊，而在今年，他們著手設計全新的蛋白質，用來開發疫苗、建築材料和奈米機器。

• 延伸閱讀：2021 年《Science》年度十大科學突破

與此同時，DeepMind 發布了 AlphaTensor，用來找出更有效率的矩陣乘法演算法。高中就學過的矩陣是代數中最簡單的運算之一，可以用來壓縮網路資料、辨識語音指令、模擬與預測天氣、生成電腦遊戲圖形等。

• 延伸閱讀：地表最速乘法傳說！碰到大得要命的數字，這是最快的乘法方式

另外，DeepMind 還發布了可以自主編寫程式、解決問題的 AlphaCode。在程式解題競賽網站 Codeforces 定期舉辦的比賽中，AlphaCode 甚至打敗了過半的參賽者，取得排名前 54% 的成績，跌破創辦人的眼鏡。

除了科學、數學、程式設計之外，AI 在藝術領域更是大放異彩。

繼 OpenAI 去年發布繪圖軟體 DALL-E 後，今年 4 月發布了進化版的 DALL-E 2，只要輸入幾個字詞，AI 模型就能自動生成圖像。在 9 月，有一位藝術家利用類似的 AI 繪圖工具 Midjourney 奪下美國科羅拉多州博覽會首獎。

此舉在藝術界掀起一股旋風，卻也引來了哲學辯論和道德抨擊，但毫無疑問的是，人類可以借助逐年進化的 AI 拓展創造力，開發出更多、更好的工具。

• 延伸閱讀：AI 是大藝術家？人工智慧演算出的作品可以被稱為藝術嗎？——《再．創世》專題

超級華麗的大～大～大細菌！

在你的印象中，細菌是不是都很小、不用顯微鏡就看不見呢？今年 2 月，科學家在法屬西印度群島發現一種肉眼可見的巨無霸細菌——華麗硫珠菌（Thiomargarita magnifica），震驚了生物學界。

• 延伸閱讀：肉眼可見的「微生物」！科學家發現有史以來的最大細菌，平均長度大於 0.9 公分

一般來說，細菌沒有細胞核和膜狀胞器，遺傳物質都在細胞中自由漂浮，但華麗硫珠菌真的很華麗，不只可以長到 2 公分，比多數細菌大上 5000 倍，而且還有隔間可以容納 1200 萬個基因組——這大概是多數細菌基因總量的 3 倍。

身為一種不應該有膜的原核生物，華麗硫珠菌的結構或許即將改寫原核生物和真核生物的定義，甚至有機會成為一塊拼圖，補足細胞進化過程中缺失的環節。

• 延伸閱讀：長達 5 億年的空白：真核生物從何而來？「洛基」是人類起源的解答嗎？──《纏結的演化樹》

開發新疫苗，呼吸道合胞病毒治療現曙光

在這 COVID-19 肆虐之年，美國感染呼吸道合胞病毒（RSV）的病例數也急遽上升。呼吸道合胞病毒傳染性極強，通常只會引起類似感冒的輕微症狀，但在嬰幼兒身上，這種病毒會使肺部發炎，而在老年人身上，會使既有的心肺疾病惡化。

早在 50 多年前，就有科學家試圖開發呼吸道合胞病毒的疫苗，但在臨床試驗導致 80% 的接種者住院、2 名兒童死亡後，開發就此中斷。後來，科學家發現敗筆在於這種殺死病毒後製成的「滅活疫苗」所引發的抗體較弱，不只殺不掉活生生的病毒，還能反過來幫助病毒破壞氣管。

• 延伸閱讀：燃燒吧，小宇宙！疫情之下，研發疫苗大絕招有哪些？

如今，莫爾豪斯醫學院（Morehouse School of Medicine）開發了能夠引發強效抗體的新疫苗。在輝瑞（Pfizer）和葛蘭素史克藥廠（GSK）進行臨床試驗後，證實這兩種新疫苗可以保護嬰兒和老年人，不會引起嚴重副作用，而在孕婦注射後，也能將抗體傳給胎兒。

• 延伸閱讀：新藥的研發流程概論

雖然過往的失敗讓開發團隊心存疑慮，但目前沒有任何數據顯示疫苗不安全，其中幾種候選疫苗也可能將在明年獲得監管機構批准上市。

好啦～這篇到這裡，先介紹前五項突破就好！因為《Science》今年提供的內容實在是太精彩了，為了避免讀者一次閱讀太多字很累，只好拆成上下兩篇⋯⋯看完這篇後，如果你好奇另外五項突破是何方神聖，就來看第二篇吧！

接續下篇：2022 年《Science》年度十大科學突破（下）：EBV 病毒與發燒的地球

最近，韋伯太空望遠鏡發布首批科學影像，終於看到敲碗好久的結果——韋伯拍到了人類從未見過的許多東西！有人說，韋伯是哈伯的繼任者，但不知道大家是否好奇過，哈伯和韋伯到底誰比較強？

這個問題有點難回答，因為兩部望遠鏡都是當代科技的結晶。哈伯是 1990 年升空的王者，韋伯是 30 年後科技進步下的產物，我試著用客觀的方式來比較這兩部太空望遠鏡。

哈伯觀測可見光，韋伯觀測紅外光

哈伯的主鏡直徑是 2.4 公尺，韋伯則是 6.5 公尺，韋伯的主鏡直徑比哈伯大 2.7 倍，這也是大家最常比較的部分。可是，如果主鏡大就比較厲害，那麼夏威夷大島上的凱克 10 公尺望遠鏡，不就比哈伯和韋伯更強？

哈伯與韋伯觀測的波段不同，用途也不一樣。哈伯主要觀測的波段在可見光，可見光是指人類眼睛可以看見的光或顏色範圍，也就是紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫。從紅光到紫光，光的波長由長到短，紅光的波長大約是 0.62–0.74 微米（1 微米＝0.001 公釐），紫光的範圍則是 0.38–0.45 微米。

紅外光是指比紅光波長更長的光，也就是波長比 0.7 微米更長，這是韋伯望遠鏡主要觀測宇宙的波段。

哈伯和韋伯太空望遠鏡觀測的波段，一個在可見光，另一個在紅外光，所以在功用上本來就不一樣，如果要比較的話就要小心，不然就像拿橘子跟蘋果相比，拿不同的東西做比較顯得很突兀。

誰看得比較清楚？來比一比解析度吧！

哈伯與韋伯可以拿來做比較的是解析度，解析度的值（角秒）愈低，表示能看到天體愈細微的部分，解析度跟主鏡直徑和觀測的波長有關。望遠鏡主鏡愈大，解析度愈好；另外也跟觀測的波長成正比。

以下兩張影像分別是史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）和韋伯拍的天空中同一區域紅外光影像，拍攝的紅外波長也差不多（史匹哲：8 微米，韋伯 7.7 微米），不過兩幅影像的解析度卻差很多，韋伯的影像中可以看到更多的細節，史匹哲則好像糊成一團。

當觀測的波長一樣時，解析度跟觀測望遠鏡的主鏡直徑成反比。史匹哲的主鏡是 0.85 公尺，所以韋伯的解析力是史匹哲的 6.5/0.85=7.8 倍！主鏡的大小直接反應在解析度上，韋伯與史匹哲在解析度上高下立判！

解析度除了跟主鏡的直徑成反比，也跟觀測的波長成正比。所以同一面主鏡觀測天體，用愈短的波長觀測解析度愈好。下圖是史匹哲望遠鏡觀測 M81 星系的結果，同樣 0.85 公尺的主鏡觀測，隨著觀測波長的增加，解析度變差。

答案揭曉——哈伯的解析度略勝一籌！

前面提到解析度跟主鏡直徑與觀測波長的關係有一個重要前提，主鏡必須研磨到完美、光滑，也就是主鏡上不能出現高低起伏。如果主鏡不完美，像遊樂場裡的哈哈鏡，不能聚焦成像，解析度自然不好。

波長愈短對鏡面的要求愈高。哈伯太空望遠鏡的鏡面對 0.5 微米波長更長的光是完美的，比 0.5 微米波長更短的光波則呈現不完美，韋伯望遠鏡的主鏡則是對 2 微米更長的波長是光滑的。（光學上，物理學家的說法是哈伯和韋伯分別在 0.5 和 2 微米達到繞射極限。）

哈伯和韋伯望遠鏡最佳解析度分別在 0.5 微米和 2 微米，根據前面的解析度公式，哈伯在 0.5 微米的解析度是 0.05 角秒，而韋伯在 2 微米的解析度是 0.08 角秒，結論是哈伯的解析度比韋伯稍微好一點！也就是哈伯老當益壯，一點也不比韋伯差。

從哈伯到韋伯，有如長江後浪推前浪

天文學家從 1990 年開始，透過哈伯望遠鏡研究宇宙，這三十年來科學家已經把哈伯的功能發揮到極致，我們對宇宙的了解很多都來自哈伯的觀測。不過這三十年的努力也讓天文學家發現哈伯不足的地方，科學家知道關鍵在紅外線觀測能力。前一代的紅外望遠鏡史匹哲無法達到需求，天文學家只能殷殷期盼韋伯。

韋伯首批公布的影像中，幾乎都是哈伯曾經拍過的天體，從科學上來說，比較可見光和紅外影像資料可以對目標天體更多了解，不過我認為這應該是韋伯對哈伯致敬的方式，感謝哈伯三十多年的貢獻！

韋伯站在巨人的肩膀上，必定能看得更暗、更遠！

暗物質（dark matter）在我們對於宇宙的了解中仍是一個巨大的問號。

不過，瑞士洛桑聯邦理工學院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）天文學家 David Harvey 等人利用哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）和錢卓 X 射線觀測衛星（Chandra X-ray Observatory）觀測星系團（galaxy clusters）互撞時，星系團中的暗物質會有什麼樣的行為模式。

結果發現暗物質彼此間的交互作用程度比先前認為的還要少，但這一發現也將暗物質可能的「身份」範圍縮減，希望最終能揭開暗物質的神秘面紗。

目前科學家們對暗物質的瞭解仍然非常粗淺，僅知宇宙中的暗物質含量比可見的一般物質還要多。

造成這種尷尬境況的原因在於：暗物質不反射、發射或吸收光線，因此無從用現代儀器「看到」這些暗物質，只能透過暗物質對一般可見物質的重力效應來窺見暗物質的存在，因此才會將之稱為「暗」物質。

由於對它的不瞭解，因此對暗物質性質的猜測相當多元化而複雜。

為了更瞭解這些神秘的物質，Harvey 等人透過類似研究可見物質的實驗，期待觀察到暗物質與一般物質撞擊時會發生什麼事。因為規模夠大才能看出撞擊效應，他們挑選了星系團作為觀察目標。

星系主要由恆星、氣體雲和暗物質組成。當星系團發生碰撞事件時，散佈在星系各處的氣體雲會彼此撞擊，而後逐漸減速或甚至停下；換言之，星系撞擊時的氣體－氣體交互作用（gas-gas interaction）非常強。

然而恆星本身則很少受到星系團撞擊時的氣體阻滯力（gas-star drag）影響，而且由於恆星彼此間的間隙很大，所以並不會彼此影響而使速度減慢，不過如果真的發生恆星互撞，則摩擦減速的力道也還是很龐大的。

先前認為暗物質的行為應該類似子彈星團（Bullet Cluster）中所呈現的。但僅有一個案例，很難預測將會看到什麼。每一次的星系團碰撞都耗時數億年才結束，因此以人類生命而言，我們只能從一個特定角度看到碰撞事件的某一瞬間。

但碰撞案例數量若能增加許多，那麼便可從各個碰撞呈現的片段資訊，拼貼出比較完整的劇情，瞭解事態的發展走向。

Harvey 等人從哈伯和錢卓觀測資料中選取的 72 個大型星系團撞擊事件進行研究。這些撞擊事件發生在不同時期，所見的撞擊角度也互異，有些是從側邊所見，有些則是正面的俯瞰景象。

既然已知氣體和恆星在星系團互撞過程中會如何行動，以及會在何處發生這些事件，那麼僅需對照暗物質如何作用，就可以幫助科學家縮減暗物質可能的組成成分的範圍。

這些天文學家發現：像恆星一樣，暗物質在劇烈撞擊時會持續前進，並不會慢下來。然而又和恆星不一樣，暗物質之所以不會慢下來，並不是暗物質彼此間距離很遠，碰不到一起的關係。

現行公認的理論認為暗物質是均勻的散佈在星系團內，因此暗物質粒子彼此間應該靠得很近。所以暗物質在星系團撞擊過程中之所以不會慢下來，是因為它們不僅幾乎不與一般可見物質粒子交互作用，而且暗物質彼此間的交互作用程度也比之前認為的還低；這項事實，正是讓 Harvey 等人能縮減暗物質的可能性質的關鍵。

現行最被接受的暗物質理論認為暗物質可能是由「超對稱粒子（supersymmetric particle）」所組成。在標準模型（Standard Model）中，認為電子、質子、中子等所有粒子都有它自己的超對稱粒子伙伴，這些超對稱粒子伙伴的質量比粒子本身稍重一些。

這項理論迄今還無法獲得實驗證實，不過已經可以協助科學家們解決一些紛爭；超對稱理論其中一項概念認為粒子是穩定且為電中性，與標準模型中的一般粒子僅有很微弱的交互作用。而這些性質，似乎都能解釋暗物質的性質。

Harvey 等人目前計畫要繼續增加碰撞星系團的案例數，甚至考慮將單獨的星系撞擊也納入研究範圍，畢竟單獨星系撞擊的事件比星系團碰撞要常見多了。

資料來源：

1. Dark matter even darker than once thought. [Hubble space telescope, March 26, 2015 ]
2. Harvey, D., Massey, R., Kitching, T., Taylor, A., & Tittley, E. (2015). The nongravitational interactions of dark matter in colliding galaxy clusters. Science, 347(6229), 1462-1465.

本文轉載自網路天文館。