【21世紀天文望遠鏡系列】驗證大霹靂宇宙模型──宇宙微波背景輻射的太空觀測任務

宇宙微波背景輻射是檢驗大霹靂理論最重要的證據之一。從20世紀前半葉「穩態理論」與「大霹靂理論」的激烈辯論,經過了20世紀末COBE衛星偵測到完美的2.7 K黑體輻射,再到21世紀升空的WMAP 與Planck 衛星,人類隨著科技的發展,一步步推進了人類對宇宙起源與組成的研究。

撰文|徐麗婷

●宇宙膨脹與大霹靂理論的成形

在20世紀初期,科學家相信宇宙是穩定靜態的完美存在。但根據愛因斯坦廣義相對論的計算,宇宙是動態的,不是在膨脹就是在縮小。連愛因斯坦自己對這樣的計算結果都不滿意,因此加了一個所謂的「宇宙常數」來維持宇宙的穩定。

但在1927年,比利時天文學家喬治·勒梅特 (Georges Lemaître) 從廣義相對論中計算出宇宙正在不斷地膨脹。他認為愛因斯坦的「宇宙常數」是不合理的。1929年,美國天文學家艾德溫·哈伯 (Edwin Hubble) 也以觀測數據証實了勒梅特的說法。他的觀測結果顯示:所有的星系都正在遠離地球,而且距離銀河系越遠的星系遠離的速度越快 (哈伯定律)。愛因斯坦後來也因此承認「宇宙常數」是他一生中最嚴重的錯誤。

自從哈伯定律提出之後,天文界就展開了「宇宙起源」的激烈論戰,而先前的穩態宇宙模型 (steady-state model) 也受到強大的挑戰。因為宇宙正在膨脹的觀測證據,使得越來越多科學家認為宇宙不是永恆的,而是從一個非常極端的爆炸起點開始擴張的。「穩態理論」的擁護者弗雷德·霍伊 (Fred Hoyle) 甚至以「大霹靂 (Big Bang)」來諷刺那樣的說法,霍伊認為極端的大爆炸必定會留下遺跡,他要支持者拿出「大霹靂」遺跡的證據出來。霍伊沒想到他隨口貶低對手的話,最後竟然留名青史。

●大霹靂遺跡:宇宙微波背景輻射

1948年喬治·伽莫夫 (George Gamow) 和他的學生提出了大霹靂宇宙學模型,他們認為宇宙形成之初是處於極高溫的狀態,隨著宇宙膨脹、溫度冷卻,才漸漸有了星系等天體的形成。伽莫夫同時也預測了「大霹靂遺跡」的存在,他在最初的計算中假設宇宙的年齡為3億歲,得到「大霹靂遺跡」的溫度為50 K。之後不斷地有科學家嘗試計算宇宙的年齡和溫度,並且期望可以偵測這個遺跡發出的微波背景輻射,但一直沒有人成功過。

直到 1964 年,美國貝爾電話公司的兩位年輕研究員,阿諾·潘佳斯 (Arno Penzias) 跟羅伯·威爾遜 (Robert Wilson) ,他們在清洗用來作為衛星傳播的天線時, 接收到了來自四面八方的「干擾訊號」。他們打電話給普林斯頓的研究小組尋問這些干擾訊號到底是什麼,才發覺他們歪打正著的偵測到了宇宙微波背景輻射 (Cosmic Microwave Background,簡稱CMB) ,並且以此數據測量出宇宙的溫度約為3 K。他們也因此獲頒 1978 年的諾貝爾物理獎。

圖說:貝爾實驗室的巨大天線,潘佳斯和威爾遜就是用這個天線意外的發現宇宙微波背景輻射。Image credit: NASA, restored by Bammesk

 

●宇宙微波背景輻射的太空觀測任務

科學家相信這個宇宙微波背景輻射的光譜會具有黑體輻射的曲線特徵,但是由於微波波段容易被大氣吸收,在地球上難以得到驗証。因此由約翰·馬瑟(John C. Mather) 所領導的團隊,向美國太空總署 (NASA) 提出了宇宙背景探測衛星計畫 (Cosmic Background Explorer,簡稱COBE)。這個衛星於1989年升空,它傳回來的第一筆資料,就是完美的2.7 K黑體輻射!而另一位科學家喬治·史穆特(George Smoot) ,透過COBE的資料來研究宇宙微波背景輻射的微小差異 (即異向性)。並解釋了宇宙中的星系和恆星是如何生成的。因為宇宙初期在溫度上的微小差異,會使得物質在某些地方聚集起來,進而發生重力塌縮生成恆星和星系。藉由這樣的異向性,科學家就可以計算物質、暗物質、及暗能量在宇宙中的組成。約翰·馬瑟和喬治·史穆特這兩位科學家也因而獲得了 2006年的諾貝爾物理獎。

為了要更精確的測量宇宙微波背景輻射的異向性 (Anisotropy),NASA 在2001年發射了威爾金森微波異向性探測器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,簡稱WMAP) 。WMAP比COBE 有更佳的敏感度與解析度,其觀測結果對建立當前的宇宙學模型 (即 Lambda cold dark matter,簡稱 ΛCDM) 扮演著非常關鍵的角色。經由WMAP的數據計算得到的宇宙的年齡大約是137.7 億年,宇宙膨脹率 (即哈伯常數) 是69.3 km·s1·Mpc1,而宇宙中的物質占4.6%,暗物質占24%,暗能量占71.4%。雖然WMAP可以更精確地測量宇宙微波背景輻射的大尺度角度波動變化 (large scale angular fluctuations),但它卻沒有足夠的角解析度來測量較小尺度的波動變化。

因此,2009年歐洲太空總署 (ESA) 發射了普朗克衛星 (Planck),改善了先前WMAP角解析度的不足。藉由普朗克衛星的數據,科學家量測出宇宙的年齡大約是137.99 億年,哈伯常數是67.74 km·s1·Mpc1,而宇宙中的物質占4.9%,暗物質占26.8%,暗能量占68.3%。從普朗克的結果中,科學家測量到低於預期的暗能量組成比例,也得到比之前WMAP的結果更低一點的哈伯常數。未來ESA將會發射歐幾里得衛星(Euclid),科學家將藉由偵測重力透鏡效應來確認宇宙中暗能量的含量,期望能對暗物質與暗能量作更進一步的探索。

圖說:三個宇宙微波背景輻射探測器COBE、WMAP、和Planck的解析度比較 (Image credit: NASA/JPL-Caltech/ESA)。

 

參考資料:

  1. Cosmic microwave background
  2. Planck
  3. https://map.gsfc.nasa.gov/
  4. The Nobel Prize in Physics 2006
  5. The Nobel Prize in Physics 1978

 

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