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從上帝的手指到宇宙長城─星系團和宇宙的大尺度結構
宇宙中的物質似乎存在的一定階層結構。例如,星星及星際介質群聚構成星系。星系又構成了星系群或星系團。宇宙為何有這些結構的階層?而這些結構階層是否有個上限?另外,愛因斯坦的廣義相對論以及神秘的黑暗物質和黑暗能量又在這些大尺度結構的形成上扮演著什麼樣的角色?
 
 
宇宙來自138億年前的大霹靂,宇宙也包含了所有的已知和未知的物質。但宇宙中的物質似乎存在的一定階層結構。例如,星星及星際介質群聚構成星系。星系又構成了星系群或星系團。在更廣大的範圍的,我們也可以看到超星系群和一些大尺度結構。宇宙為何有這些結構的階層?而這些結構階層是否有個上限?另外,愛因斯坦的廣義相對論以及神秘的黑暗物質和黑暗能量又在這些大尺度結構的形成上扮演著什麼樣的角色?我希望能夠來討論這些問題。
 
講演綱要(審校|孫維新)

黃所長以「從上帝的手指到宇宙長城─星系團和宇宙的大尺度結構」為題,由手指的意涵與創生的歷程出發,講授宇宙學研究的要點,並點出宇宙學理論的試金石 – 廣義相對論 – 所扮演的關鍵性角色。藉由現代宇宙學的發問與探索,科學家在宇宙的巨流河中,擴張其知識的版圖。這亙古不變的精神,終將帶領人類翻越長城,打破沉默,形塑更為巨觀及具象的科學思維!

 

在演講的一開始,黃所長分享了他在柏克萊求學時的經驗。他發現即使在自由且開放的環境中,卻仍有著大量、相較下保守而傳統的教堂,以此看出宗教與生活的密不可分,無論有無信仰,皆潛移默化於日常生活。而這也是他今天題目的來源:因為上帝的手指,平時經常含有創造及創生的意味。在天文學中,我們也經常可見,不少被暱稱為「上帝手指」的圖像,比方說哈柏望遠鏡拍攝的鑰匙孔星雲,形狀真如一個巨型手指,甚至引發哪根手指的議論。另外,還有一些星球誕生之處,也和手指形狀若合符節。

 

不過,今日主題不僅止於星雲,我們涵蓋的更大─「宇宙的創生」。科學上指稱的宇宙論是什麼?基本上就是把宇宙整體當作研究對象。簡單說,研究的題目包含開天闢地﹝如宇宙的起源、宇宙何時誕生﹞、天高地厚﹝如宇宙的大小﹞、天圓地方﹝如宇宙的形狀或結構﹞。黃所長說,今天要討論的是宇宙結構。大部分的宇宙論都基於一個宇宙學的假設:「宇宙在足夠大的尺度下是均勻的。」這也代表宇宙各向同性,在這個尺度上地球並不具有特殊的位置。

 

要瞭解宇宙的結構,除了宇宙學原則外,我們還需要用到屢戰屢勝的「廣義相對論」!黃所長解釋,在廣義相對論中,重力被認為是時空的幾何性質而非力場,這個理論成功預測了現今天文學家觀測到的現象,包含黑洞、重力波,和重力透鏡等。他也進一步強調,其實相對論比大家所想的更加接近、並且影響現代人的生活!例如,Google Maps所用到的GPS衛星定位,就需要狹義相對論和廣義相對論的修正。因為衛星上重力小、時間快(廣義相對論:每天快45微秒),而衛星速度快、時間慢(狹義相對論:每天慢7微秒)。因此在發射前,微星上的原子鐘要先調成每天慢38微秒,如此才能準確定位。

 

但縱使是提出偉大理論的愛因斯坦,也不表示不會犯錯。當他首次嘗試用廣義相對論,想要來描繪整個宇宙時,他發現無法從他的廣義相對論方程式中,找到一個靜止的宇宙答案。為此,他在方程式中加上了一個「宇宙常數」,以便從中得到一個穩定宇宙的解。不過,「宇宙常數」的物理意義是什麼?愛因斯坦對宇宙的假設是靜止的,在概念上,宇宙常數是在抵銷掉物質間的萬有引力作用,需具有抵銷重力且充滿宇宙的特質。要去尋找剛好能夠消除這份引力的力量,其實是非常困難的。而哈柏定律剛好推翻了這一點,哈柏定律提到距離我們越遠的星系,紅移越大,最合理的解釋就是宇宙正在膨脹!一個膨脹的宇宙,就不需要宇宙常數來達成平衡或靜止,同時這也表示宇宙並非永恆穩定不變,而可以有一個開始。

 

宇宙學原則是「宇宙是均勻的」,但是地球、太陽系、星系、星系團、超星系團都不是均勻的,而是有其特定的結構。究竟宇宙最大的結構是什麼?宇宙在足夠大的尺度下,真的是均勻的嗎?黃所長以Planck 資料來說明這件事─「宇宙微波背景輻射」能夠證明。他還以古早的電視無訊號時,發出的黑白雜訊影像,笑著說大家可能想不到,電視還可以研究宇宙學。從現代宇宙微波背景輻射的研究,宇宙各個方向都有強度差不多的背景輻射。宇宙背景輻射是來自宇宙誕生後約38萬年,宇宙溫度約三千度時所輻射的古老光線,它在不同方向的微小差異代表著宇宙在當時物質分布的差異,從宇宙背景輻射的幾乎各項同性表示了在大尺度範圍,宇宙在早期是很均勻的。

 

不過,從宇宙的密度差異,可以發現從宇宙背景輻射產生到現在,宇宙膨脹了約十億倍!黃所長表示,直覺上會認為宇宙結構的形成應該由密度小,進而累積成越來越大,但事實上,恆星最早誕生,然後才是星系,星系團等,大尺度結構反而是最晚形成,密度越大的結構則相較早形成。因為從時間尺度來解釋,恆星、星系等受重力作用,塌陷的時間和密度成反比。像恆星密度大、塌縮速度快,因此很快就形成了。

 

大尺度結構的形成機制和恆星、行星是不同的,需要考慮重力作用和宇宙的膨脹。那麼,我們又要如何研究宇宙結構的形成?因為大尺度的結構跟宇宙包含多少物質、宇宙如何膨脹有關,因此可以從所觀測到的大尺度結構來檢驗宇宙模型。黃所長接連介紹FOG效應、火柴人結構、銀河附近的超星系團,以及約有14億光年的SLOAN長城及宇宙網,說明一些更深的紅移觀測,發現在更遠的宇宙仍有類似城牆結構。此外,他也分析到,觀測上宇宙的結構像是網狀,包含了空洞區域(1至2億光年),纖維狀結構(3千萬至3億光年)或牆,以及節點。而星系團位在節點處,星系群則在纖維結構上。

 

演講最後時,黃所長作了幾點總結:宇宙早期是很均勻的;因為重力和宇宙膨脹的緣故,宇宙物質的分布最終發展成現在的網狀結構。網狀的結點就是星系團,星系團內的星系會因為在重力場下的相對運動而造成觀測上出現上帝的手指效應(FOG, Finger-of-God Effect,星系的長鏈指向地球的錯覺),而網狀的線和面則可造成觀測上的宇宙長城。

 

宇宙中存在著神祕的暗物質和暗能量,而這是目前的宇宙模型還未能解釋的,因此愛因斯坦的宇宙常數不一定是錯的,只是可能初始的假設不同。在狂熱於剛發佈的人類史上首張相對清楚的黑洞照片後,宇宙的科學顯然還有著更多未知等著我們去發現!相信大家已準備接受宇宙學第三堂課的洗禮。

 
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