Friday, Oct. 31, 2014

     

魔鏡ㄚ魔鏡:誰是測量宇宙距離最精密的那把尺?

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2012/04/21

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針對距今50~70億年前的宇宙,正在進行著大尺度結構精確測量的BOSS計畫,近日公佈了第一階段觀測結果。它使用的方法是:觀測距離大霹靂僅3萬年的原始聲波如何在宇宙介質裡傳播。物理學家對這個計畫寄予厚望,希望儘早解開「暗物質」形成之謎,目前為止的觀測資料結果顯示,仍支持「暗能量」理論正確。

大約100年前的科學家相信,宇宙是維持在恆定不變的靜態。愛因斯坦的廣義相對論則預測宇宙的時空會延展,不過,當時因為愛因斯坦方程式不能讓宇宙保持在靜態,他在方程式裡加入了宇宙常數。

不久後,天文學家哈柏卻真的觀測到和愛因斯坦最早的相對論一致的現象:宇宙真的在膨脹!於是愛因斯坦又把宇宙常數刪除,他曾說:發明宇宙常數是畢生最大的錯誤。

但1998年時,研究遙遠宇宙裡1a型超新星爆炸現象的天文學家再度發現,宇宙不僅在膨脹,而且由於某種未知的力量或暗能量,膨脹的速度甚至正在加速。這個發現和愛因斯坦的宇宙常數似乎遙相呼應,以至於21世紀的宇宙學最重要的挑戰之一就是要回答:我們需要愛因斯坦的宇宙常數嗎,或是目前已知的重力理論其實不夠完整?

BOSS最受人矚目的原因是它選擇要去精密地觀測距今約50億到70億年前的這段時間,在宇宙史上,一般認為,這似乎正是當初暗能量「即將登場現身」的關鍵時期。

不過,在仔細觀測這段時間之前,科學家們還需要對膨脹的歷史有更完整的了解才行。

原本為暗能量理論提供基礎的觀測法是超新星爆發時的明亮亮度及它的紅移,不過BOSS計畫要觀測的對象卻是另一種:重子聲波震盪(BAO),這種聲波震盪現象的形成最早可追溯到萬物都還同在一大杯極熱的原始湯中的時期,當時受到壓力驅動的波(聲音或音波),在早期宇宙裡傳播。這種音波會產生出一些小囊袋,那是密度以很規律的間隔或周期發生變化的情形 – 也就是表示著震盪或者震動的一種抖動形態。接下來宇宙迅速冷卻,使普通物質和光之間分離、各自前進;普通物質濃縮成氫原子,這種波動印記在各種物質的分布中。從宇宙微波背景輻射(CMB)裡,我們仍然看得到這種溫度波動的現象,科學家也自其中獲得了重子聲波震盪(BAO)的基本尺度。

測量這些重子聲波震盪,可以幫最遠的星系「究竟有多遠」訂定出測量距離的標準,這需要一套工具來完成,而BOSS的設計藍圖正源自於這樣的概念:由於在宇宙的網狀結構裡,密度高峰以頻率次數相當高的週期重複出現,這些密度峰值,就成了測量宇宙的最佳標準尺。

科學家藉由測量兩兩成對的星系之間的角度,可以了解星系們距離我們有多遠 – 角度越窄、距離越遠。一旦距離獲知,年齡也可以經推論而得,這是因為我們已知的光的紅位移作用。在宇宙裡,光會以一定比例的延展來讓物理學家能推論得出:自從光離開其出發點以後,宇宙經歷了多少膨脹。

不過紅位移並非一體適用。因此需要能統計分析數十萬星系紅移值的BOSS,在大樣本之下,BOSS不僅能取得詳細的距離測量,還將紅移值的變動也納入資料系統中。

BOSS的觀測結果仔細提供了距離地球60億光年以外的星系的三維位置,並且精確值達到1.7%,大幅優於先前的結果。

研究人員在接受BBC專訪時告知有關於近期研究的成果:這是一張基本觀測必備的地圖,如果你在一路倒退的時間裏回溯至初始的宇宙,這張圖能讓你明白很多宇宙在成分內容上經歷的變化,譬如:物質變多或變少,延展的速度變化等等,這些都會使星系地圖因而不同。

目前為止,愛因斯坦的廣義相對論以及他加到了方程式裡的宇宙常數都和我們的發現完全吻合。原本宇宙常數的加入是嘗試要使宇宙呈現靜態,不過如果我們把宇宙常數當作異號數,結果就會是加速膨脹了。這麼一來,公式和實際所見,是一模一樣的。

目前的初步成果只佔BOSS預計於2014年完成時將取得的累計普查結果的1/4,屆時將可公佈一個涵括了一百萬個星系的目錄。後續ESA將於2019年啟動BOSS巡天普查計劃的太空版 – Euclid太空計劃。

Euclid的測量對象將更擴大普及到5千萬個星系,並且將距離再延伸到100億光年之遠,希望探知這個目前主導著宇宙膨漲的暗能量,它,和更早期的宇宙兩者間,是否還存有任何更微小的關聯。

不過,目前BOSS的發現雖然和暗能量的宇宙常數模型相當一致,所得的結果畢竟仍是來自於數量有限的資料,因此,該計畫的主要科學家認為:宇宙常數或許只是一個最簡化的解釋,「在探索暗能量機制何時啟動的旅途中,我們才剛剛出發而已。未來如果有任何意料外的結果,沒有人會真的太意外。」

至於各種假說當中,認為暗物質可能根本不存在,或許僅只是因為對重力的特性還不夠了解所造成的誤會而已~關於這種說法,BOSS有什麼解答?

要是重力會在極大尺度上,性質轉而成為互斥,則所有科學家對於宇宙加速膨脹的答案就都迎刃而解!不過,互斥的重力,意味著愛因斯坦的廣義相對論在宇宙極大尺度上會垮台站不住腳 – 歷經一世紀以來,廣義相對論一直經得起各色各樣的任何考驗。

Lawrence Berkeley實驗室的Beth Reid針對上述假設可能性作了一個研究:廣義相對論裡,對於星系應多快速地彼此靠近才能建構這些大尺度、類似泡泡的結構,曾有預言。所以Reid在BOSS的觀測下,針對宇宙大尺度類似泡泡的結構如何增長的模式仔細觀察,個別測量了數十萬個星系的速度,結果發現,即使在大尺度下,星系建構泡泡的模式也仍然精準地遵循著我們已知的那些重力描述 – 再度證明廣義相對論是對的!

Reid說:這也意味著,過去我們對於尺度在太陽系以內能夠掌握的精準度,從現在起,已擴展到1億光年以外的鄰近宇宙地區。(Lauren 譯)

圖片說明:本圖顯示出宇宙在三個不同的時期的樣貌,顯示宇宙如何隨時間而膨脹。最右側有著紅、黃、藍、綠顏色的圖,顯示的是137億年前「宇宙微波背景輻射」記錄。中圖、左圖各分別是宇宙膨脹後,在55億光年遠以及距離今天更近的38億光年遠的2個圖像。製圖: Zosia Rostomian 影像提供:Eric Huff, SDSS和South pole Telescope

資料來源:中研院天文網, 2012.04.16

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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