跳到主要內容

科技大觀園商標

分類項目
Menu

揭開宇宙膨脹的背後推手「暗能量」的神祕面貌——專訪國立臺灣大學天文物理研究所助理教授藍鼎文

113/04/23 瀏覽次數 716
宇宙結構主要由正常物質、暗能量、暗物質組成。

宇宙結構主要由正常物質、暗能量、暗物質組成。

2024 年四月初,大型國際天文觀測計畫 DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument,暗能量光譜儀計畫)發表了最新成果,為解開謎團滿滿的「暗能量」帶來全新線索,可能會改寫過去二十年來學界對暗能量的認識,也將宇宙指向更有盼望的未來!

讓星星彼此遠離、決定宇宙命運的「幕後黑手」

「暗能量(dark energy)是驅使宇宙演化非常重要的元素之一,但是我們不知道暗能量到底是什麼,它的性質為何、它會不會隨著時間演化。這件事情讓人既困擾又興奮!」

國立臺灣大學天文物理研究所助理教授藍鼎文如此說道。他同時也是 DESI 研究計畫的一分子。

有關暗能量的發現,可追溯到約一世紀以前 ,美國天文學家哈伯(那座舉世聞名的望遠鏡便是以他為名)發現遙遠的星系正離地球遠去,而且越遠的星系離得越快,說明宇宙不是穩定的,而是在不停膨脹中。1998 年,兩個天文團隊不約而同發現,目前約 137 億歲的宇宙不單只是在膨脹,還從 50 億年前開始逐漸加速膨脹,讓學者跌破眼鏡。因為此前學者們都認為,宇宙中物質本身的引力,會把膨脹中的宇宙拉回來,讓膨脹率隨時間減緩。

既然宇宙在有引力效應的影響下,仍在加速膨脹,那宇宙勢必充溢著某一種將天體與天體相互推開的能量——天文學家稱之為暗能量。根據推算,暗能量佔了宇宙整體能量將近 70%。

目前學界最想解答的問題是:暗能量,到底會不會隨著時間演化?

這個問題非常重要,因為它關乎宇宙的終極命運。如果暗能量是恆定不變的常數,那麼不停加速膨脹的宇宙,終將使所有天體星系被遠遠拉開。有假說甚至推測,最後宇宙會被暗能量影響,直至原子都被撕裂、萬物走向分崩離析 [1]。但如果暗能量不是常數,而是會隨著時間演化,那宇宙的膨脹也就存在變數,結局將會被大大改寫。

宇宙膨脹速率

150億年以來宇宙膨脹速率的變化。曲線越平緩,膨脹速率就越快。大約75億年前,曲線產生明顯變化,當時宇宙中的天體加速分散。天文學家推測,加速膨脹是由一股神祕的黑暗能量所引起,這股力量正在讓星系互相遠離。圖片來源:Ann Field (STScl),公有領域。

看不見也摸不到的暗能量,該怎麼觀測?

不過,暗能量既看不見也摸不到,那該如何測量?天文學家想出了「旁敲側擊」的方法,不是正面觀測暗能量,而是從探究暗能量造成的影響,即宇宙的膨脹速率下手。只要透過天文觀測,測量宇宙在各時期的膨脹速率,便可以瞭解暗能量的性質。

但我們無法回到過去,要怎麼知道不同時期的宇宙長什麼樣子?別忘了光的特性,越遠的光,需要經歷更長時間才能抵達地球。因此當我們用望遠鏡探向更遙遠的星系時,所觀測到的會是遠古時期的光,就像是打開了宇宙不同階段的「畢業紀念冊」,可以一探古老宇宙的模樣。

解決了時間的問題,接下來要處理的,便是測量我們與天體之間的距離了。有了距離的測量值,天文學家便能回推出宇宙的膨脹速率。藍鼎文教授介紹了現有兩種的量測方式,第一種稱為「標準燭光(standard candles)」。

藍鼎文教授解釋,標準燭光的概念如同夜晚走在路上看某一盞路燈,我們越靠近的時候,路燈看起來越亮;逐漸遠離的時候,路燈看起來會越暗。這代表路燈看起來的亮度,與路燈和我們之間的距離有關。同理可得,只要知道某一種天體具備的所有能量與相應的發光強度,天文學家便可以根據觀測到的亮度,來計算距離。

第二種方式稱為「標準尺規(standard ruler)」,概念和標準燭光類似,只是並非以發光天體的亮度,而是以天體本身的大小作為參考基準。在暗能量的觀測中,天文學家利用的是一種宇宙初期的產物「重子聲波振盪(Baryon Acoustic Oscillations, BAO)[2],透過它的實際大小與觀測大小,來推算相隔距離。

建立更精確的宇宙模型,臺灣團隊為數據嚴格把關

執行暗能量研究的 DESI,全名為暗能量光譜儀計畫(Dark Energy Spectroscopic Instrument),有超過 500 位研究人員、約 70 所國際研究機構參與其中。 DESI 計畫運用美國亞利桑那州一座山上直徑四公尺的 Mayall 望遠鏡,打造了由 5,000 個微型機器手臂與先進光纖構成的「眼睛」、當前最強大的光譜儀。在 2021 至 2026 年五年間,這個計畫將觀測約 4,000 萬個天體。

透過每個 DESI 「眼睛」搜集到的天體光譜 [3],研究團隊可以得知其不同顔色的光強度,描繪出各個星系在宇宙中三維空間的相對位置,並搭配標準尺規 BAO 的訊號,測量宇宙膨脹的速率。這不僅有助於探究暗能量的本質,更能描繪出有史以來最大的宇宙三維圖,建構更精確的宇宙模型。

其中,藍鼎文教授負責統籌一個由數十位科學家組成的團隊,接下檢驗 DESI 星系光譜數據品質是否達標的任務。他們逐一檢視上萬筆計畫初期的光譜數據,並藉此測試 DESI 自動分析演算法的表現。研究團隊以嚴格的標準,確認觀測所得的光譜都有極佳品質,且開發的分析軟體準確率超過 99%,為後續研究打下重要的基礎。

藍鼎文教授分享:「每一個工作和步驟環環相扣,執行的精確程度都會影響到最後暗能量的測量值。」最讓他印象深刻的是,成員們都彼此配合、各司其職,將自己負責的事情做到最好,最後整個計畫才能得出最好的科學成果。

就在今年四月初,DESI 研究計畫捎來好消息:他們首度向世界公開使用超過 600 萬筆光譜數據的分析結果,暗示著暗能量是有可能會隨著時間演化的!雖然這只是初步結果,還需更多數據分析才能更好地驗證,但仍然是相當振奮人心的成果。儘管人的生命在宇宙數十億年漫長的歷史中不過刹那一瞬,但此時此刻各國的學者們,仍孜孜不倦地努力,在揭開壯闊宇宙史詩般演化歷程的旅途前行。

藍鼎文研究團隊(圖源:藍鼎文教授提供)

藍鼎文研究團隊(圖源:藍鼎文教授提供)


[1] 這一假說是根據「大撕裂(Big Rip)」的宇宙論模型,若暗能量擁有特定性質,超越一切作用力,宇宙將走向連原子都被撕裂的結局,被預估將在100 多億年之後發生,唯目前仍沒有足夠精確的數據能夠確認這一模型(但若大撕裂發生,地球會在 50 億年後,先被氫燃料耗盡、壽終正寢的太陽給吞噬)。

[2] 原初宇宙是炙熱得讓次原子粒子無法形成穩定原子的電漿,這些粒子中包含氫和氦核,被統稱為重子。這種原初電漿中的微小波動形成壓力波,使得重子移動形成波紋,就像石頭擲入水中形成的水波漣漪。隨著宇宙因膨脹而逐漸冷卻到一定程度,不帶電的原子形成、壓力波無法繼續傳遞,這些立體結構「漣漪」於是被凍結,並在重疊之處形成密集的星系。這些數十億年之後仍能被觀測到的「漣漪」,就是「重子聲波振盪(Baryon Acoustic Oscillations, BAO),並成為宇宙中的標準尺規。

[3] 光譜是指複色光經過稜鏡、光柵或其他色散系統分光後,依波長排列形成的光帶,例如彩虹就是太陽光的光譜。DESI 所觀測各類的天體光譜,包含遙遠星系、類星體和銀河系中的恆星。

OPEN
回頂部