【探索14】宇宙的秘密就在暗夜之中

9005192728_0c0192aabd_o講師|中央研究院天文及天文物理研究所 張慈錦助研究員
撰文|王士豪

「為何夜晚的天空是黑的?」您可能會想不就是因為太陽下山了嗎?沒錯,但為何滿天的星斗無法照亮夜晚如白天呢?想像如果宇宙是永恆存在、廣大無限且靜止穩定的,無數星星均勻地分布在空間中;然後依距離地球的遠近像洋蔥般將空間分成層層的薄球殼,則每一層中的恆星數量會正比於球殼的體積(正比於距離的平方),而恆星的亮度距離越遠就越暗(反比於距離的平方),那麼每層球殼的總亮度(恆星數量乘以每顆恆星亮度)將為一定值,代表距離最近的球殼和極遙遠的球殼貢獻是相同的。當把所有球殼加總起來,我們會得到無限大的亮度,星空會比太陽還亮! 所幸真實並非如此,不然地球早被烤熟了。那麼究竟是哪個前提出了問題呢?這個看似幼稚而實則深奧的問題即是1826年德國天文學家歐伯斯提出的歐伯斯佯謬(Olbers'paradox,又稱夜黑佯謬),直到20世紀人類才找到合理的解釋及支持的證據,也和現代宇宙學中的重要課題息息相關。

●宇宙正在膨脹:大霹靂理論
愛因斯坦於1915年發表跨時代的廣義相對論,將重力重新詮釋成時空的彎曲:物質(即能量)的存在會扭曲時空,彎曲的時空會影響物質能量的分布。1922年,俄國物理學家弗里德曼(Alexander Friedmann)和比利時物理學家兼神父的勒梅特(Georges Lemaître)等人先後將廣相應用來描述宇宙(重力是這大尺度下主要的交互作用),假設宇宙在大尺度的質能分布是均質且各向同性的(大致符合現今的觀測),推導出宇宙的演化方程式,發現宇宙大小並非一成不變,而是會膨脹或收縮的。但當時人們普遍相信靜態宇宙,愛因斯坦亦然,他為了讓程式中的宇宙維持靜止,甚至引入了一項宇宙常數。直到1929年,美國天文學家哈伯(Edwin Hubble)觀測發現四面八方的星系光譜普遍都向低頻率偏移(紅移,redshift),與正在離地球遠去產生的都卜勒效應相符,且距離和遠離的速度大致成正比(哈伯定律),可用宇宙正在均勻膨脹完美解釋。愛因斯坦得知後,即承認引入宇宙常數是一個愚蠢的錯誤,動態的宇宙觀也開始為人接受

如果宇宙正在膨脹,那麼將時間回推,則宇宙在創始之初必定比現在小的多、擠的多、熱的多;宇宙從高溫緻密的火球中誕生,此即大霹靂的宇宙論。讓大霹靂論得以確立成為今日宇宙標準模型主要有兩個關鍵的證據。一是太初核合成(big bang nucleosynthesis):在大霹靂論下,在宇宙早期某段期間溫度高到到處都可以進行核融合,將氫合成更重的元素如氘、氚(兩者皆為氫的同位素)、 氦、鋰、鈹等的同位素;這些同位素在宇宙中的含量與理論預測完全吻合。另一個證據來自宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave Background, CMB):1965年美國工程師彭齊亞斯(Arno Penzias)和威爾森(Robert Wilson)偵測到天空各方向都有微波輻射,等效溫度為絕對溫標2.725度,與太初火球的黑體輻射冷卻至今日的溫度吻合,是宇宙年齡只有38萬年時發出的光。事實上約有1%的無線電視雜訊來自宇宙背景輻射(免費的宇宙頻道!)。

●微波背景輻射的非均向性:宇宙的健檢表
1992年COBE衛星(COsmic Background Explorer)進一步發現宇宙微波背景輻射的溫度在不同方向有大概十萬分之一的相對差異(非均向性,anisotropy),其後繼的WMAP衛星(2003年)和Planck衛星(2013年)得到更高解析度的全天溫度非均向性分布。這些微波背景中極微小的冷熱差對應當時宇宙物質密度存在微小不均勻,這些密度起伏之後隨宇宙膨脹因重力不穩定作用(gravitational instability)而成長,密度稍微高的地方吸引越來越多物質、較低者則越變越空曠,形成今日看到的星系和星系團等結構樣貌。這個非均向性分布提供宇宙學家非常豐富的資訊,如宇宙的年齡(約137億年)、可觀測宇宙的大小(約466億光年)、幾何形狀(近乎平坦)、組成、結構和演化等,是目前宇宙學的主要研究對象之一。

●宇宙正在加速膨脹:暗能量
Ia型超新星是雙星系統中有白矮星吸積其伴星物質而超過臨界質量而引發的爆炸,放出的能量幾乎是固定的,因此可作為標準的光源-觀測超新星的亮暗,即可得知它的距離。1998年宇宙學家們觀測眾多Ia型超新星的亮度及光譜紅移,拓展當年哈伯的方法到更深遠的宇宙,發現宇宙不僅在膨脹,而且還在「加速」膨脹!為了解釋這現象,宇宙成分中需要有約70%未知的暗能量組成,施加斥力將萬物彼此推開。目前我們對暗能量的性質所知甚少,其中一種最簡單和可能的解釋,即是愛因斯坦當年懊悔的宇宙常數!但這還有待更多精密的宇宙學觀測來釐清。整合微波背景輻射及超新星的觀測,可以得出宇宙的成分一般物質(包括電子、質子、中子,及週期表上所有元素) 只佔5%,25%為暗物質,70%為暗能量-我們其實對超過9成的宇宙仍然一無所知。

經過百年的努力,我們才知道宇宙並非靜止不變而是正在加速膨脹,使得遙遠的星光紅移造成亮度減低,且讓宇宙恆星密度隨時間降低;宇宙並非永恆而是僅有137億歲,限制了可觀測宇宙的大小,且遙遠的(即早期的)的宇宙因恆星還未及形成而黯淡。因為這些原因,使得夜晚是黑暗的。在看完這篇簡介後,不知您是否在欣賞夜空時會多一分崇敬之意呢?

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本文整理自:104/11/14由張慈錦助研究員在臺大應力所國際演講廳所主講之「夜晚的天空為何是黑的?─從靜態宇宙到動態宇宙」演講內容。

 

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