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近代天文學的二個新發現–宇宙微波背景輻射信號和脈衝星

宇宙的形成歷程及星座的定位是天文學家的重要研究課題,而二個有趣的天文現象卻是偶然發現的—膨脹的宇宙與大爆炸(或稱「大霹靂」)和脈衝星。
 
 
小百科

50年前,天文學家對宇宙的形成歷程有許多不同的理論和學說,如大爆炸理論(The Big Bang)、穩恆態理論(Steady State model)、振盪宇宙(Oscillatory universe)等,大爆炸是當今廣泛被科學界證實和認同的理論。大爆炸的概論—宇宙是由一個極高密度和高熱狀態的奇異點(singularity)膨脹開始而延續到現在的狀態,它是描述宇宙誕生初始的條件和後續演化的宇宙學模型。
大爆炸的理論是1927年由比利時的物理學家勒梅特(Georges Lemaître)首先提出的。1964年由彭齊亞斯(Arno Penzias)和威爾遜(Robert Wilson)無意中測量到宇宙微波背景輻射的信號,經過詳細分析而推測宇宙太初是經過瞬間的大爆炸,延續膨脹到達今天的狀態,這初始狀態大約存在於137億年前。彭齊亞斯和威爾遜因這項研究成果而榮獲1978年諾貝爾物理獎。

脈衝星(pulsar)是一種中子星(neutron star),它會周期性地發射脈衝信號。第一個脈衝星是由研究生伯內爾(Jocelyn Bell Burnell) 於1967年無意中發現的,引起指導教授休伊斯(Antony Hewish)的注意,進而全心投入這方面的研究。休伊斯於1974年榮獲諾貝爾物理獎,這是諾貝爾物理學獎第一次頒發給天文物理學領域的研究人員。1974年,美國普林斯頓大學的赫爾斯(Russell Hulse)和泰勒(Joseph Taylor, Jr.)發現了第一顆無線電脈衝「雙星」,他二人因這項研究獲得1993年的諾貝爾物理獎。

彭齊亞斯(左)和威爾遜(右)因宇宙微波背景輻射的研究榮獲1978年諾貝爾物理獎。
▲彭齊亞斯(左)和威爾遜(右)因宇宙微波背景輻射的研究榮獲1978年諾貝爾物理獎。


靈機一動

1964年,貝爾實驗室有2位三十來歲的電波天文物理學家彭齊亞斯和威爾遜,著手建造一部微波接收器從事一些銀河系中天體的測量。其中,彭齊亞斯的博士論文指導老師唐恩斯(C.H. Townes)是雷射的發明者,他因雷射的發明於1964年榮獲諾貝爾物理獎,真是名師出高徒。

他們在測量時,發現太空傳來的信號經常有一些令人討厭而無法解釋的背景雜音,於是就開始找雜音的來源。他們發現接收器的喇叭上有鴿子的白色糞便,也有幾條電線沒接好,二個人花一整天的工夫把接收器的內外都清理乾凈,並把電線接好,但是背景雜音仍然「陰魂不散地」不斷出現。請電氣技工來看也不得要領,找不出什麼物理現象可以解釋這些背景雜音,周邊的同事也愛莫能助。

有一天,彭齊亞斯去拜訪MIT物理系的布克教授(Burke),提起微波背景雜音的困惑。布克說他上一次開會時,記得普林斯頓大學(離貝爾實驗室只有30英里)迪克教授(Robert Dicke)的一位學生匹伯斯(P. Peebles)曾經報告過一些太空背景輻射的理論計算。於是彭齊亞斯就打電話向迪克教授求教,希望他可以提供解決背景雜音的線索。

迪克在通完電話後就向他的學生說:「我們被人搶先了。」原來迪克的團隊正在做宇宙微波背景輻射的計算和實驗,而彭齊亞斯和威爾遜在貝爾實驗室得到的背景雜音就是這個實驗。很快地,貝爾實驗室和普林斯頓的研究人員就聚在一起討論,彭齊亞斯和威爾遜恍然大悟,那些測量到的微波信號並不是雜音,而是宇宙大爆炸後的「餘音」。不久,貝爾實驗室的實驗結果和普林斯頓大學的理論計算的二篇論文同時刊登在《天文物理學刊》(Astrophysics Journal, 142:414; 142:420, 1965)上。
大爆炸理論—宇宙是由一個極緊密、極熾熱的奇異點膨脹到現在的狀態。
▲大爆炸理論—宇宙是由一個極緊密、極熾熱的奇異點膨脹到現在的狀態。


重要性

大爆炸理論的框架是基於愛因斯坦的廣義相對論,並在方程式的求解上做了許多簡化,如空間的均勻和各向同性。物理學家推測,原始的宇宙是由極高密度和極高溫度的核子反應形成,先由最小的氫原子開始,繼而有氦、鋰等,這也說明為什麼宇宙間存在著豐富的低原子量元素。如果能用大型粒子加速器在類似條件下進行實驗,有可能驗證這一理論。但是當前的加速器所能達到的能量有限,要用加速器證明宇宙膨脹的理論有技術上的困難。

1929年,美國物理學家哈柏(Edwin Hubble)通過天文望遠鏡的觀測,發現地球與星系的距離和這些星系的紅移(red shift)成正比。也就是說,遙遠的銀河星系和星團都一直在快速地遠離地球,而且比較遠的星系的移動速度較快,因此當前星系和星團間彼此的距離不斷地增大,這說明了膨脹宇宙的觀點,也稱作「哈柏膨脹」(Hubble-type expansion)。

1964年,彭齊亞斯和威爾遜發現了宇宙微波背景輻射雖屬意外,但他們的專業訓練是電波天文學。他們測量到的微波背景輻射溫度是7K,而且是各向同性的,後來發現這些背景雜音很接近黑體輻射溫度3K的訊號,因此彭齊亞斯和威爾遜的實驗提供了膨脹宇宙—「大爆炸」理論—的一個有力證據。
 
脈衝星的發現

1967年夏天,劍橋大學卡文迪斯實驗室(Cavendish Laboratory)的一位24歲的女研究生伯內爾檢測電波望遠鏡收到的信號時,無意中發現有些信號具規律脈衝,脈衝周期是1.337秒,而且十分穩定。伯內爾向她的指導教授休伊斯報告這個觀察結果,接著每天晚上12點鐘的時候,又測量到這些脈衝信號,起初她以為這是外星人「小綠人」(little green man, LGM)發出來的信號。

到了11月初,一些脈衝信號變得非常強,於是伯內爾就開始找以前的實驗紀錄,發現以前也有相同的脈衝信號,只是沒有人理會而已。在接下來不到半年的時間,又陸續發現了數個脈衝信號,他們認為這是新的天體,稱為「脈衝星」。脈衝星的發現是20世紀天文學的「四大發現」之一;上述的宇宙微波背景輻射是另外一個大發現。休伊斯教授本人也因脈衝星的發現和研究而榮獲1974年的諾貝爾物理獎,但是伯內爾小姐未能同享殊榮,學界對這頗有微詞,不過伯內爾本人並沒有提出嚴重的抗議。

1968年,有人提出脈衝星是快速旋轉的中子星。中子星具有強磁場,運動的帶電粒子會發出同步輻射,形成和中子星一起轉動的電波束。由於中子星的自轉軸和磁軸不重合,每當電波束掃過地球時,地球會收到一個脈衝。

脈衝星輻射電波會消耗自轉動能,因而自轉會逐漸放慢。但是這種變化非常緩慢,因此信號周期的準確度比原子鐘還高。而從脈衝星的周期就可以推測出它的年齡,周期越短的脈衝星越年輕。

1974年,美國普林斯頓大學的赫爾斯和泰勒發現了第一顆無線電脈衝雙星,它們是兩顆互相環繞的脈衝星,軌道周期是7.75小時,軌道的偏心率是0.617。當兩顆子星靠得很近時,極強的引力輻射會導致它們的距離愈加靠近,軌道周期會逐漸變短。通過精確的測量,無線電脈衝雙星軌道周期的變化可以間接證明引力波的存在,對驗證廣義相對論有很大的貢獻。他們二人因這項研究而榮獲1993年的諾貝爾物理獎。
 
恆星在坍縮成半徑很小的中子星後自轉速度變得非常快,電磁波只能從磁極的位置發射出來,形成圓錐形的輻射狀態。
▲恆星在坍縮成半徑很小的中子星後自轉速度變得非常快,電磁波只能從磁極的位置發射出來,形成圓錐形的輻射狀態。

 

掌聲回響

雖然這些天文的發現是無意中得來的,但是他們的專業和學術訓練使他們能專注投入研究而能有創新的解釋,這過程就是科學研究的程序。下次如果你有不解的疑惑,必須追究到底,說不定那不解的疑惑就是一個大發現。

註:大爆炸理論已經被主流物理宇宙學界接受,而許多宗教團體對大爆炸理論也做出了種種反應,有些很快就接受了大爆炸理論的科學依據,進而試圖把大爆炸理論和他們自己的教義併合,如基督教說大爆炸理論與「創世紀」的經文記載不謀而合。
 
脈衝星的研究者:休伊斯、赫爾斯、泰勒。
▲脈衝星的研究者:休伊斯、赫爾斯、泰勒。

 
深度閱讀
  1. Roberts, R.M. (1989) Serendipity: Accidental Discoveries in Science, Ch.19, John Wiley & Sons, New York, NY.
  2. Bryson, B. (2003) A Short History of Nearly Everything, Ch.1, Broadway Books, New York, NY.
  3. 黃崇源(民99)膨脹的宇宙,科學發展,455,53-59。
  4. http://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang
  5. http://en.wikipedia.org/wiki/Pulsar
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