【2011諾貝爾】星星訴說的祕密──介紹二○一一年諾貝爾物理學獎

有人說世界將毀於火焰,

有人說世界將毀於冰寒……(譯註)

宇宙的命運終將如何?如果本年度諾貝爾獎得主所想的沒錯,那麼世界或許會結束在一片冰寒之中。今年的諾貝爾獎得主仔細觀察了遙遠星系中數十顆爆炸的恆星,也就是所謂的超新星(supernova),而他們所得到的結論是,宇宙的膨脹正在加速中。

編譯 | 汪芃

      這項發現讓這些諾貝爾獎得主自己也大吃一驚。他們觀測到的現象,就像把一顆球拋到空中,結果發現球不但沒掉回地面,甚至還以越來越快的速度消失在空中,彷彿重力不足以扭轉球的拋擲軌道,而整個宇宙目前的狀態正像如此。

圖1:世界越來越大。 140億年前,大霹靂(the Big Bang)發生,整個宇宙開始膨脹,但過了幾十億年,擴張的速度便趨緩了。然而後來膨脹又開始加快,一般咸信這是暗能量造成的。暗能量最早只構成宇宙的少部分,但宇宙中的物質隨著膨脹而稀釋,暗能量所佔的比例也就越來越高了。

      宇宙膨脹的速度越來越快,這暗示整個太空結構中存在著一股未知的能量,正將宇宙往四面八方推開。這股「暗能量」(dark energy)構成宇宙的絕大部分,佔了百分之七十以上,而且神祕費解,稱得上是當今物理學領域中最大的謎團。因此,一九九八年時,兩個研究團隊分別做出類似的研究結果,宇宙論深受撼動的程度也就不難想像了。

      這兩個團隊其中之一是「超新星宇宙學計劃」(Supernova Cosmology Project)研究團隊,這項計畫當時已進行十年,早自一九八八年便開始了,計畫主持人正是索歐.珀爾馬特(Saul Perlmutter)。而布萊恩.施密特(Brian Schmidt)率領的則是另一個團隊,他們在一九九四年底展開一項研究計畫,與珀爾馬特的團隊互較高下,這項計畫名為「高紅移超新星搜尋團隊」(High-z Supernova Search Team),而亞當.瑞斯(Adam Riess)是其中一大功臣。

      這兩個研究團隊相互較勁,搶著早一步勾勒出宇宙的面貌,他們用的方法是設法找到最遙遠的超新星。所謂超新星,即太空中爆炸的恆星。科學家想了解這些超新星和我們之間的距離,以及它們遠離地球的速度,進一步窺探宇宙最終的命運。這些科學家希望找到一些跡象,證明宇宙的擴張正在趨緩,也就是冰與火最後將達到某種平衡;然而他們觀測到的結果卻恰恰相反──他們發現,宇宙竟然正加速膨脹中。

圖2a:一閃一閃亮晶晶,哪裡才有小星星?

越來越大的宇宙

      新的天文發現把舊有的宇宙觀徹底顛覆,這已經不是史上頭一遭了。就在區區一個世紀以前,世人還認為宇宙平靜安詳,且範圍大約只有我們的銀河系這麼大,宇宙的鐘滴答規律地走,永恆而不滅。然而這樣的觀點很快便徹底扭轉。

      二十世紀初,美國天文學家亨麗愛塔.勒維特(Henrietta Swan Leavitt)發現了一個測量遙遠恆星距離的方法。當時,女性天文學家不得使用大型望遠鏡,卻常被交派分析照相底片的麻煩差事,勒維特便因此觀察了數千個脈動的恆星,即「造父變星」(Cepheids)。她發現恆星的光度越高,脈動週期也就越長,便用這項原理算出了造父變星的本質亮度(intrinsic brightness)。

      而星星的亮度越小,就代表距離越遠,因此只要知道某一顆造父變星有多遠,就能藉以推算出其他造父變星的距離。從此,一個可靠的標準燭光誕生了,天文學家有了造父變星的輔助,很快便了解到,原來銀河系只是一個星系,而宇宙中還有無數個這樣的星系。到了一九二○年代,天文學家利用當時全球第一大的美國加州威爾遜山(Mount Wilson)望遠鏡進行觀測,發現幾乎所有星系都正離我們遠去。當時這些科學家正在研究光源遠離時所產生的一種「紅移」(redshift)現象,也就是當光線的波長被拉長,波長變大,光的顏色便會越偏紅色。這項研究的結論是,各星系距離我們和距離彼此都越來越遠,且散得越遠,移動的速度就越快,這就是我們所知的哈柏定律(Hubble’s law)。因此,我們的宇宙越來越大了。

圖2b:標準燭光的亮度穩定不變,是測量恆星距離不可或缺的指標。

宇宙常數的建立和推翻

      而這項太空觀測成果之前早有理論預測出來了。一九一五年時,愛因斯坦(Albert Einstein)發表了廣義相對論(General Theory of Relativity),建構了我們今天的宇宙觀。根據這個理論,我們的宇宙不是在縮小就是在擴大。

      這個令人不安的結論早在威爾遜山觀測結果出爐前的十年就已經出現,宇宙竟然不是靜態的,這點連愛因斯坦自己也無法釋懷,因此他為了避免得到宇宙正在膨脹的解,在方程式中加進一個常數,他稱之為「宇宙常數」(cosmological constant)。愛因斯坦後來認為加進這個宇宙常數是天大的錯誤。然而後來隨著一九九七和一九九八年間的觀測結果(也就是本屆諾貝爾獎所表揚的研究成果)出爐,我們已經可以下結論:愛因斯坦提出的宇宙常數雖然出發點不對,但確實是個了不起的見解。

      發現宇宙正在擴張是個劃時代的里程碑,開創了現在大家普遍相信的論點:宇宙是140億年前大霹靂的產物,時間和空間都始自大霹靂,而在那之後,宇宙便一直膨脹,而正如同蛋糕裡的葡萄乾在烤箱中會不停膨脹,由於宇宙擴張,各星系之間的距離也就日益增加了。但最後究竟會如何?

超新星──測量宇宙的新方法

      愛因斯坦後來放棄了宇宙常數,臣服於「動態宇宙」的觀點,並指出宇宙的幾何形狀將形塑它最終的命運。宇宙究竟是密閉還是開放的?或是介於兩者之間──宇宙會是平坦的嗎?

      如果我們的宇宙是開放宇宙(an open Universe),那代表宇宙中物質具備的重力不夠大,無法阻止宇宙膨脹,因此宇宙中的物質會日漸稀釋,宇宙會變得越來越大、越來越冰冷空曠。而另一方面,如果我們的宇宙是封閉宇宙(a closed Universe),那代表宇宙中含有夠強的重力,足以停住甚至逆轉宇宙的膨脹,如此宇宙最後將會停止擴張並往回縮,走向一個炙熱狂暴的終點,也就是所謂的「大崩墜」(Big Crunch,也稱『大坍縮』或『大擠壓』)。然而絕大多數宇宙學家卻傾向相信所謂的「平坦宇宙」(a flat Universe),這個宇宙觀比較簡單,可以用漂亮的數學公式佐證。平坦宇宙的擴張會日漸趨緩,因此宇宙將不會毀於火焰,也不會滅於冰寒。只可惜這不是我們能選擇的,因為如果宇宙常數存在,宇宙將會持續加速膨脹,即使宇宙是平坦的也一樣。

      本年度的三位諾貝爾獎得主原本想測量的是宇宙減速(cosmic deceleration),也就是宇宙的擴張日益趨緩的過程。他們用的觀測法其實和六十幾年前的天文學者相差不多,也就是找遙遠的恆星,測量這些星星移動的狀況。但這方法說起來簡單,要實行卻不容易。從勒維特的時代以來,科學家早已發現許多其他的造父變星,其中也不乏距離更遠的,然而問題在於,現在這兩個研究團隊需要觀測的距離非常遠,隔著這幾十億光年的距離,我們根本觀測不到造父變星發出的光。我們得尋找更亮的標準燭光。

      而恆星爆炸後形成的超新星,就搖身一變成了新的標準燭光。自一九九○年代以來,我們的地面和太空望遠鏡都越來越精良,電腦科技也日新月異,這些都成了突破的契機,有助將宇宙的面貌勾勒得更為完整,而其中最關鍵的就是電荷耦合裝置(CCD,charge-coupled devices)。電荷耦合裝置是感光的數位影像偵測裝置,發明人正是榮獲二○○九年諾貝爾物理學獎的威里亞德.波伊(Willard Boyle)和喬治.史密斯(George Smith)。

爆炸的白矮星

      天文學家的新法寶是一種特殊的爆炸恆星──Ia超新星(Type Ia supernova)。單單一顆Ia超新星,就能發出和整個星系一樣強的光線,亮度可維持數週。這類超新星是白矮星(white dwarf)爆炸所形成的,白矮星是一種密度極高的衰老恆星,質量可比太陽,體積卻可能和地球差不多大,而它的生命週期走到盡頭便是爆炸。

      一顆恆星將核心的能量耗竭後就會變成白矮星,內部所有的氫氣和氦氣都已在核反應過程中燃燒殆盡,只剩下碳和氧氣。我們的太陽在遙遠的未來也會這樣衰老冷卻,邁向死亡,成為一顆白矮星。

      假使有一顆白矮星是雙星系統的一部分,它的生命尾聲就更驚險刺激了,而這情況還算常見。這種白矮星的強大重力會把伴星(companion star)的氣體抽走,但這顆白矮星的質量增加到1.4倍太陽質(solar mass)量時,就再也無法保持完整,內部溫度會變得極高,會開始產生失控的熔合反應,只消幾秒鐘,這顆白矮星便會碎裂四散。

圖3:超新星爆炸。白矮星的重力把伴星的氣體吸過去了。|白矮星的質量增加到太陽質量(solar mass)的1.4倍時就會爆炸,變成Ia超新星。

      這些核融合(nuclear fusion)產物在爆炸後的幾週會放出很強的輻射,然而接下來就會逐漸減弱,幾個月後會完全結束,所以想找超新星,手腳一定要快,因為劇烈的爆炸正如同曇花一現。在我們可見的宇宙中,每分鐘大約會出現10個Ia超新星,但宇宙何其大,一般而言,在一個星系裡,每一千年只會出現一個或兩個超新星爆炸。二○一一年九月時,我們很幸運地觀測到一個超新星,位於北斗七星附近的一個星系中,亮度很高,用一般的雙筒望遠鏡就能看到。但其實大多數超新星距離我們遙遠多了,因此亮度低很多。所以,我們究竟該何時仰天遠望、又到底該望向何處?

出人意表的成果

      這兩個彼此較勁的研究團隊都明白,他們得在浩瀚蒼穹中尋找遙遠的超新星,而不二法門就是比較同一處天空在不同時間點的影像,這塊天空的範圍如果我們把手伸長比劃,約只有指甲般大小而已。第一張影像得在新月之後拍攝,接著隔三週再拍攝第二張影像,再晚的話星光就會被月光遮蔽了。然後研究人員便會比對這兩個影像,看看是否能找到小亮點,如此很可能就能找到遙遠星系中的超新星──而這在電荷耦合裝置影像中不過是一個小小的像素而已。為避免局部失真的干擾,研究人員只用可見宇宙三分之一以外距離的超新星。

      研究人員還得解決許許多多的其他問題。首先,Ia超新星其實不如他們原先所想的可靠,因為爆炸後亮度減弱的過程其實比預估的要來得長。再者,他們還得先扣除超新星所在的宿主星系(host galaxy)發出的光,才能得出超新星本身的亮度。此外另一項重要任務則是確保得到的亮度準確無誤,因為星星和我們之間的星系際塵埃(intergalactic dust)會影響星光的亮度,如此計算超新星的最大亮度時便可能受到干擾。

      尋覓超新星的任務除了挑戰科學和科技的極限之外,實際的工作流程也是一大考驗。科學家得先找到適合的超新星,接著必須測量出超新星的紅移及亮度,然後配合長期分析所得到的光變曲線(light curve)數據,如此才能和其他已知距離的同類超新星做比較。整個研究團隊要在短時間內迅速決定某顆星是否值得觀測,他們得同時用好幾座望遠鏡進行觀測,必須準時獲得使用望遠鏡的許可,延誤不得;申請使用望遠鏡的程序一般常得花上幾個月,但研究人員的動作要快,否則超新星很快便會黯淡消失。在這過程中,兩個競爭的研究團隊還默默打過幾次照面。

圖4:超新星1995ar(超新星1995ar)。研究人員比較天空中同一小塊範圍相隔三週測得的兩次影像,結果在第二個影像中發現了一小塊光點!接著,他們進一步觀測光變曲線,確認這個光點是Ia超新星。Ia超新星能發出和整個星系差不多的強光,且所有Ia超新星的光變曲線都一致;大部分光線都會在頭幾週散發殆盡。(如圖表所示)

      這整個過程中可能出的差錯不計其數,這兩個研究團隊一度也認為自己真的出錯了,因為他們測到同樣令人訝異的成果:他們共找到50個遙遠的超新星,而每一個超新星的亮度都比預估的還低,這和他們原先想像的不同。如果宇宙膨脹的速度已經逐漸趨緩,那超新星應該會亮一點才對。然而這些超新星卻越來越黯淡,它們隨著所處的星系加速遠離我們。因此研究成果出乎意料:宇宙膨脹並沒有減緩,反而還加速了。

從現在到永恆

圖5:驚人發現。一九九八年十二月,《科學》(Science)雜誌將「宇宙加速膨脹」選為「年度十大科學突破」之一,在這期雜誌封面上,愛因斯坦凝視著他的宇宙常數。而如今,這個宇宙常數再度站上宇宙學的主舞台。

      所以,究竟是什麼力量在驅使宇宙加速膨脹?這個力量正是暗能量。暗能量是物理學中的一道難題,至今無人能解。一些學者都曾提出相關假說,而最簡單的做法,就是沿用愛因斯坦提出又自己推翻的宇宙常數。當年愛因斯坦為了得出靜態宇宙,便在他的方程式中加入一個反重力的宇宙常數,以抵消宇宙中物質的重力。而如今,這個宇宙常數的存在卻反倒解釋了宇宙加速膨脹的現象。

      顧名思義,「宇宙常數」是恆常不變的,不會隨著時間改變,因此幾十億年來,隨著宇宙膨脹,物質越來越分散,重力也隨之稀釋,暗能量在宇宙中所佔的比例就越來越高了。科學家說,在宇宙的歷史中,宇宙常數很晚才出現,大約是五六十億年前,而上述現象正是原因,因為在大約五六十億年前,宇宙中物質的重力才終於減弱到比宇宙常數還小,而在那之前,宇宙膨脹確實處於減速的狀態。

      宇宙常數很可能源自真空。但根據量子物理學(quantum physics),宇宙的真空並非真的空空如也,而是像一鍋煮沸冒泡的量子湯,物質和反物質的虛粒子(vir­tual particles)在湯裡不斷冒出又消失,如此便會釋放出能量。然而用最簡單的方法估算暗能量的結果,卻跟科學家在宇宙中實際測得的暗能量有很大的差別,整整大了10120倍,因此理論和實際觀測到的現象之間仍存在一道鴻溝,科學家至今仍無法解釋。10的120次方有多大呢──地球上所有沙灘的沙粒加起來甚至不到10的20次方。

      或許暗能量根本不是恆定的,而會隨著時間改變;也或許宇宙中存在一個不定期產生暗能量的未知力場,物理學中確實有很多這樣的力場,物理學家把這些力場合稱為「第五元素」(quintessence,此字源自希臘文)。第五元素能使宇宙加速擴張,但只偶爾才會作用。如此看來,我們將永遠無法預測宇宙的命運。

      無論暗能量究竟為何,這股能量似乎確實存在。它確實能幫忙拼湊出宇宙的面貌,替物理學家及天文學家解答了長久以來的疑惑。依照目前學界的共識,宇宙中約有四分之三是暗能量,其餘則是物質,但一般的物質,也就是構成星系、星星、人類及花朵等的物質只佔全宇宙的百分之五,其餘全是所謂的「暗物質」,目前我們仍一無所知。

      暗物質是奧秘宇宙中另一道難解的謎題。暗物質和暗能量一樣,是看不見的,因此我們只能藉由暗能量和暗物質產生的效果來分辨這兩者──暗能量負責推,而暗物質負責拉,這兩者除了名稱裡都有「暗」這個字,其他全無共通之處。

圖6:我們的宇宙。這項發現意味全宇宙有四分之三都由人類幾無了解的暗能量所構成。暗能量和同樣未知的暗物質(dark matter)加起來共佔宇宙的百分之九十五,而剩下的區區百分之五才是我們熟悉的一般物質,構成星系、星星、花朵以及人類。

      因此,二○一一年諾貝爾物理學獎得獎主的發現,幫助人類看見一個有百分之九十五都是目前科學無法解釋的宇宙。從今而後,一切又充滿各種可能了。
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譯註:這兩句詩摘自美國詩人佛洛斯特(Robert Frost)於一九二○年出版的詩作〈火與冰〉(Fire and Ice)。
 資料來源:2011年諾貝爾物理獎科學背景資料原文

責任編輯:Nita Hsu


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3 thoughts on “【2011諾貝爾】星星訴說的祕密──介紹二○一一年諾貝爾物理學獎

  • 2011 年 11 月 30 日 at 23:41:38
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    聽說除了「整個宇宙在加速膨脹」外,尚有其他的替代理論可解釋這現象,不知各位認為那些替代的理論,像例如「太陽系所在的地方正好是物質密度較低,因此會觀察到較快膨脹速度的地方」(應該是)之類其他說法的正確率有多少?

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  • 2011 年 12 月 05 日 at 10:55:36
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    很感謝終於有一篇關於2011諾貝爾物理獎清楚解釋的中文文章。一定要跟我的學生們分享!!
    感謝CASE及編譯的作者!!

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