重力波：宇宙真的曾經暴脹─郭兆林教授2014/4/1學術演講側寫
國立臺灣大學應用物理研究所 劉伊修撰文/國立臺灣大學物理學系 王名儒教授責任編輯

每當仰望星空，你是否曾經思考過這些星星的後面是甚麼？這黑暗的背景是無底的還是有限的呢？

宇宙學家正在找尋答案。

西元1929年天文學家哈伯對星系做光譜攝影時，推論遙遠的星系皆離我們遠去，而且遠離的速度大致與地球的距離成正比，稱之為哈伯定律。這個現象可由一接近等速膨脹的宇宙來解釋，如果依此推論，那麼以前遙遠的星系和我們是非常近的而且溫度比現在更高，這就有點類似高溫的氣體膨脹其溫度會下降一樣的道理。

宇宙背景輻射就是早期的宇宙的餘熱所發出的電磁波。1965年，天文學家彭齊亞斯和威爾遜(Arno Penzias and Robert Wilson) 從自製天線接收到的無線電訊號中發現無法消除的雜訊，後來 證實就是宇宙背景輻射。

宇宙大霹靂理論認為時間、空間、能量、物質有一個起始，是一個無限密、無限熱、無限小的狀態，稱它為奇異點(singularity)，之後宇宙就開始膨脹，它推測宇宙年齡約137億年。而光的速度乘上宇宙年齡就是我們可以看到的最遠的地方。因為再遠一點的東西發出的光線，宇宙年齡還不夠讓他們到達我們的望遠鏡。這條界線稱為視界地平線(visible horizon)。但是更遠的地方有物質嗎？答案是有的。二相對地球反方向且接近地球視界地平線的星體必互相看不到對方，同理可知在我們的視界地平線外必仍有東西存在。由於從地球上觀測到的宇宙背景輻射，在全天的分佈上十分均勻，讓我們相信視界外及視界內的物體都應該是從同一點產生的。這不禁使人懷疑，為何有些東西會跑出視界地平線呢？

暴脹理論(inflation)能提出這個問題的一種解釋。暴脹理論(跟大霹靂理論不完全一樣)相信宇宙開始後的約10的負34次方秒時發生了一個超光速的膨脹，這暴脹期間宇宙從一個原子大小變到一個星系的大小。這次暴脹理論也把很多物質推出視界地平線外。聽到超光速或許會覺得不可思議，但是2014年三月底，有一個團隊宣布他們觀測到跟暴脹有關的重力波。

2014年4月1日下午兩點，筆者到臺大物理系凝態館聽演講，座位已經爆滿，連走道都擠得滿滿的，大家都是來聽史丹佛大學物理教授郭兆林的演講。筆者坐在攝影機的後面看著錄影人員準備就緒。一開始主持人介紹郭教授畢業於臺大物理系以及其他的經歷。

這是ㄧ場學術性的演講，現場有許多外籍人士。郭教授用英語先簡單地用幾張投影片介紹宇宙背景輻射、暴脹論、和重力波，並且解釋為什麼重力波在宇宙背景輻射屏幕上所照成的印記能證實暴脹論。宇宙學家相信只有暴脹能加強宇宙早期的重力波，如果宇宙的早期的重力波能被驗證，這一定可增強人們對暴脹論的信念。 Continue reading →

科學家發現決定性證據 支持長期受爭議的宇宙膨脹理論
國立臺灣大學科學教育發展中心鄭文撰文/國立臺灣大學科學教育發展中心責任編輯

宇宙的生成，生命的誕生，向來是科學、哲學，甚至是宗教學上讓人探究的議題。數百年來，在科學界中，多有天文物理理論輩出，然而卻始終因缺乏足夠的科學證據，沒有一個單一理論能完全排除其右。而在臺北時間3月18日凌晨時分，美國麻州哈佛史密森天體物理研究中心的團隊，發表震驚世人的研究成果，他們表示由BICEP2天文望遠鏡長期在南極觀測的結果，強烈地支持「宇宙膨脹理論 (cosmic inflation theory)」，其證據不僅充分，並解決了一些長期使天文物理學家困惑的謎團。

50年前，當時的科學家曾宣布他們發現了所謂「宇宙膨脹理論」的證據，那就是「宇宙微波背景輻射 (the cosmic microwave background)」，即宇宙在經過大霹靂 (Big Bang) 的冷卻後所產生的能量，也是當代宇宙天文學所有理論背景的依據。哈佛史密森天體物理中心 (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) 的研究團隊，在長期觀照「宇宙微波背景輻射」的能量波後，在其溫度和物質分布中發現了彎曲的形狀，確認所謂「重力波 (gravitational waves)」的影響和存在，由於在愛因斯坦的理論裡，證明「重力波」是宇宙膨脹的一種特徵，因此這個發現，可以說是科學家在長年的尋覓中找到了有力的證據來支持「宇宙膨脹理論」。 Continue reading →

大爆炸紀念日：六個宇宙大爆炸的迷思
高瞻計畫特約編譯葉承効/國立臺灣大學物理學系王名儒教授責任編輯

編譯來源：Big bang birthday: Six mysteries of a cosmic bombshell

西元1964年，兩位來自美國新澤西州貝爾實驗室的工程師，試圖架設一個更好的天線，結果卻意外揭開了宇宙的起源。阿諾‧彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯‧威爾森（Robert Wilson）所接收到的無線電嘶嘶聲，為第一次證實宇宙微波背景輻射（CMB）的信號。這個遺留輻射（relic glow）源於大爆炸，並散布在整個宇宙。

這個發現證實了大爆炸理論，也是現今對宇宙起源的最佳解釋。彭齊亞斯和威爾森也因這項發現而獲得了諾貝爾獎。在五十年後的今天，宇宙微波背景輻射已經幫助我們了解宇宙的年齡、形狀和組成，以及相關的發展細節。但幾乎與每一個新發現一樣，隨宇宙微波背景輻射而來的是更加令人傷腦筋的新問題。

以下是由大爆炸研究引發，且始終沒有解答的最大謎團中的其中6個：

1.為什麼早期的宇宙如此平穩？

起初，宇宙微波背景輻射的天體圖看起來穩定得令人難以置信。在大爆炸後，物質應該四處飛散，並形成不規則的團塊。但是宇宙微波背景輻射顯示宇宙仍呈現極度均勻的狀態。

1980年代，科學家提出了我們現在稱為「宇宙暴脹」（inflation）的概念：宇宙在大爆炸後很短的時間內，呈指數函數型式的快速成長。

近來，宇宙微波背景輻射的天體圖也證明了部分相關的預測。即使理論是正確的，我們仍不能詳細了解宇宙暴脹的起源、何時開始的以及它為何停止。＝任職於麻薩諸塞州劍橋市哈佛－史密松天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的阿維．勒布（Avi Loeb）表示，宇宙暴脹引發了稱為「重力波」（gravitational waves）的時空波動，而這些波的特徵將會出現在未來的高解析度宇宙微波背景輻射的天體圖。

2.在大爆炸之前，宇宙有任何東西嗎？

宇宙暴脹抹滅了各種在迅速膨脹前的蛛絲馬跡，所以我們無法藉由仰望天空來回答這個問題。此外，宇宙起源的高溫與高密度，也使我們無法用古典方程式來描述那時宇宙的擴張及演化。 Continue reading →

火星的新發現
國立臺灣大學科學教育發展中心鄭文編譯

編譯來源：NASA Mars Orbiters See Clues to Possible Water Flows

對於火星上是否有水或其他生命的存在，是科學界長久以來所研究的熱門議題。根據美國太空總署(NASA)在2014年2月10日的報導，十年來服役於探測火星的太空偵測船機會號傳回美國太空總署的最新資料顯示，火星上有水存在的假設，似乎已經證據確鑿。

從美國太空總署所關公佈的衛星照片中顯示 (見附圖)，每當氣溫上升時，有類似手指狀的黑體從火星地面的斜坡上移動下來。此外，新的線索也包括含鐵礦物在斜坡上的季節性移動，和火星地表溫度變化等，儘管有其它解釋的可能，證據在在顯示含有鐵礦物質的鹽水能抗冷凍，如硫酸鐵等。 Continue reading →

2014年你不可錯過的觀星盛事
國立臺灣大學科學教育發展中心特約編譯葉承効/國立臺灣大學物理學系王名儒教授責任編輯

編譯來源：Skywatching Events Not To Miss In 2014

無論是業餘的星象觀測迷，或是專業的研究員，都引頸企盼著將在2014年陸續登場的諸多觀星活動。即使你沒有專業的天文望遠鏡，以下介紹的許多天文星象都是可以用肉眼，或是使用雙筒望遠鏡就可以看到的。

一月

2-3號的象限儀座流星雨：從一月1號到5號，你都可以用肉眼看到流星雨的景象，而從2號的晚上到3號破曉前為高峰期，你每小時將可以看到約40顆的流星。這場流星雨是來自牧夫座方向。

5號的木星衝日：所謂的「衝日」是指太陽、地球(在中)與特定星球呈一直線的現象。一月5號的木星衝日是整年裡最適合觀測木星的日子，除了因為那天在地球可正視木星的日光反射面而易於觀測外，那一天也可以藉充分的反射日光，一次看到木星旁的四顆衛星：埃歐、歐羅巴、蓋尼米德和卡利斯多。

三月

20號的庶女星活動：在天文觀測中，有時候小行星會穿越地球與特定星球之間，而造成完全遮蔽該特定星球的景象。庶女星（小行星163）將在20號完全遮蓋住獅子座最亮的軒轅十四星，時間長度約為12秒。這是很難得的天文景象，但是遺憾的是只有從美國紐約到加拿大安大略省才能觀賞到此景觀。

四月

8號的火星衝日：在那天使用80-100倍率的天文望遠鏡，將可看到火星的地表。雙筒望遠鏡可以增強觀測到的火星星體顏色，約5～8吋的天文望遠鏡可看到更多細節，高效能的天文望遠鏡甚至可以看到火星的極地冰帽。

15號的月全蝕：在15號，太陽、地球和月球會呈一直線，而月球會完全被地球的陰影蓋住，而出現月全蝕的景觀。美洲將獲得較佳的月蝕景觀，並持續長達80分鐘。

22-23號的天琴座流星雨：柴契爾彗星（C/1861 G1）的殘餘將以天琴座流星雨的形式出現在我們面前。雖然從16號到25號都可觀測到流星雨，但是從22號到23號，大約每小時可看到20顆流星。可惜的是這段期間流星雨的景觀會受到月光的影響，不過肉眼仍應能看到最亮的流星。天琴座流星雨很有可能會帶來滿天拖著長長尾巴的流星景象。

28-29號的日環蝕：由於月球將擋在地球與太陽之間，因此會造成「火焰之環」的日環蝕景象。但是可惜的是此景觀的最佳觀測點是無人居住的南極洲。

五月

5-6號的寶瓶座流星雨：寶瓶座流星雨是由哈雷彗星的殘餘所造成，而這場流星雨將會從四月19號一直持續到五月28號。在五月5號到6號，將可觀察到每小時超過60顆的流星。由於此日上弦月於子夜消失於地平線，這將大大地強化觀看流星雨的天文條件。各地都可以觀賞到這場流星雨，並看到流星雨像是自寶瓶座方向而來。

10號的土星衝日：土星在那天能獲得充分的日光而易於觀測，只要準備約5至8吋的天文望遠鏡，就可以看到土星環及附近的衛星。

24號的流星雨：在24號日出前，會有一場大型的流星雨，雖然時間不長，不過估計將有每小時超過100顆的流星劃過天際。

六月

7號的火星與月球上合：「上合」是兩顆天體與地球呈一直線。在那天日落後，火星與月球會只有幾度的差距。

七月

28-29號的寶瓶座δ流星雨：這場流星雨是兩顆彗星的殘餘星體。這場流星雨會從7月12號持續至8月23號，而7月28號則會出現每小時超過20顆的流星。

八月

10號的超級月亮：這是2014年中，月球與地球最靠近的一天。不過對於未經訓練的人來說，在肉眼觀測的觀察下，可能不容易找出與平常滿月的差別。

12-13號的英仙座流星雨：這場流星雨是斯威夫特－塔特爾彗星的殘餘星體，在觀星者中是相當有名的。從七月17號至8月24號，肉眼都可以看觀賞到這場流星雨。在八月12號會出現每小時超過60顆流星的景象。可惜的是月光將會干擾流星觀測，不過仍然可以看見最亮的流星。

18號的木星金星上合：木星和金星是天體中最大的兩個星球，而那天將出現兩顆星體角度差只有0.25度的景象。以北美而言，最好的觀測時間將是破曉前。 Continue reading →

NASA行星科學家飯碗難捧
國立臺灣大學科學教育發展中心特約編譯高英哲

原文作者/Alexandra Witze     編譯來源：〈NASA funding shuffle alarms planetary scientists〉

NASA行星科學部決定重新分配經費，並暫停接受一項重大研究計畫的申請案

史考特．古澤維奇(Scott Guzewich)在美國空軍擔任氣象預報員長達六年後，才轉換跑道成為他夢寐以求的行星科學家。他目前以博士後研究員的身分，服務於 NASA高達太空飛行中心，專研火星大氣。

然而古澤維奇的夢幻工作可能要變成一場惡夢了。NASA的行星科學部在12月3日宣布，將重新分配挹注各項研究與分析計畫的經費。這聽起來像是官僚作業的重新洗牌，卻挑動了美國行星科學家的敏感神經：他們覺得在這個經費日益緊縮的年代，自己即將成為被排除在外的一員。尤其是有一項包含近半數行星科學研究提案在內的新研究計畫，2014年卻不給研究員提出新的補助金申請案；那些從補助金裡支薪的研究員，到時候就會落到無處請款的田地。「這下我得跳過2014年，到2015年才能送案。」古澤維奇說。「要是到時候還領不到錢，我想我就得去渥爾瑪打工了。」

幾乎全美的行星科學家，或多或少都是靠NASA總金額達12億美元的行星科學部補助金在做研究。許多老資格或比較有名望的研究員，可以從火星登陸車「好奇號」(Curiosity)或是土星探測太空船「卡西尼號」(Cassini)，這類的個別任務中拿到錢；像是古澤維奇這樣的年輕科學家，就相當倚賴總金額約2億5000萬元的研究與分析預算過日子——這筆錢是給對行星任務傳回的資料，進行研究分析的科學家拿去用的。根據位於美國亞利桑納州土桑市的行星科學研究所，在2010年所進行的調查顯示，美國有將近半數的行星科學家，倚賴這項計畫提撥他們一半以上的薪水。

NASA的管理階層在一場虛擬的市政廳會議中，提出研究經費重新分配的計畫，令許多人感到相當錯愕。喬治亞理工學院行星科學家布蘭妮．施密特 (Britney Schmidt) 說：「人們擔心他們快要沒頭路了，這消息真是嚇死人。」

沒有人會否認研究分析計畫的經費需要做調整。把經費重新洗牌，可以清掉一大串尾大不掉的資金挹注計畫，重整為五大主題：新行星、太陽系相關作業、可居住行星、外星生物學、以及太陽系觀測。這些新領域中最為龐大，也可能成為最受歡迎的，是太陽系相關作業；然而在那場NASA舉辦的市政廳會議中，有人卻說直到2015年2月前，該領域都不會接受請款提案。這是壓垮許多靠著不斷申請補助金，勉強度日的研究者的最後一根稻草，因為他們手頭上有的資金，大多會在可以申請新的補助金之前就用光光了。 Continue reading →

讓專家傷腦筋的新行星
國立臺灣大學科學教育發展中心特約編譯柯廷龍

編譯來源：卡內基科學研究中心網站

美國的研究團隊發現在太陽系之外有個行星正在形成，該行星離其恆星遙遠，約為太陽到冥王星的距離兩倍之長，該行星座落於長蛇座TW恆星充滿氣體與星塵的原行星盤之中，長蛇座TW的質量約為太陽的55%。

這個滿是塵埃的原行星盤是離我們最近的原行星盤，位於長蛇座，距離地球176光年遠，天文學家利用哈柏望遠鏡觀察太空，並用特別的方式塑造原行星盤的模型。他們發現星盤之中有約個缺口，寬度約20AU，只比形成一顆行星所需的寬度稍大，行星其大小約為6到28個地球的質量。研究團隊認為有充足的證據證明該行星的形成製造了這個缺口。

觀測計畫主持人艾莉絲‧溫伯格(Alycia Weinberger)表示：「長蛇座TW恆星的年紀約500萬到1000萬年之間，現應為行星形成的末期，行星將於原行星盤消逝之前形成……根據現有的科學研究成果，通常離恆星距離越近，行星的生成速度會越快，但是這次的觀察結果卻非如此。」 Continue reading →

天王星、海王星─鑽石雨？
國立臺灣大學大氣科學系陳穎霖、郭子仙博士生

太陽系邊緣的兩顆類木行星：天王星、海王星，分別為第七顆以及第八顆行星，與太陽的平均距離分別為19.6天文單位以及30天文單位，其組成份主要是氫、氦以及由水、氨、甲烷所結成的「冰」。這類型冰巨星，不若地球、金星、水星、火星等類地行星有明確存在的岩石核心，相對密度較低，體積也較大，天王星的體積在太陽系中排行第三，而質量約為地球的14倍，海王星的體積排行第四，質量則大約是地球的17倍。兩者在大氣中具有複雜的雲層結構，其內部高壓的狀態，成為近年科學家研究相態變化的好對象。

天王星的內部近核心壓力非常的大，高達800GPa(約地球表面氣壓790萬倍)，因為壓力重力效應，溫度也從外層的-220度飆升到7000度，在極高的壓力下可以形成密度相當高的冰(9g/)。過去的研究模擬這種壓力及溫度環境，並且在將溫度提高到攝氏50000度後，觀察到鑽cm3石塵埃產生的現象(由甲烷衍生的碳化合物)；Eggert(2010年,發表於Nature Physics)研究碳化合物(鑽石、石墨)等相態變化後，認為存在「液態具導電流體性質」的鑽石，因此在天王星、海王星的環境下，可能有固態的鑽石塵埃參與於相態變化中，支持早在1981年就被科學家提出的鑽石雨幻想。

高壓下形成的液態鑽石，可能表現得像水一樣，而給予天王星或海王星「液態的海洋」或「鑽石海」的現象；在Eggert的研究中，固態形成的鑽石更像冰山一樣浮在液態的鑽石海上，另外，「具導電性質」的流體活動也可能造成其磁場的異常（如圖一）。

實際觀測發現天王星不同高度的雲層由不同成份的化合物組成，藉由觀測雲層的活動可以反演風場，圖二顯示天王星在不同高度可能有不同組成包括H₂O, NH₄HS, NH₃, N₂S, 或CH₄的雲。由於天王星的自轉軸和公轉軸夾角相當大，幾乎是「躺著」轉，他的四季變化非常顯著(永晝、永夜現象)，長達84年的公轉週期，更讓季節變化長達21年。 Continue reading →