2011年12月2日

從「星」看世界—加速膨脹的宇宙

作者/張慈錦、魏韻純(任職中研院天文所)

追求認識我們所在的宇宙——包括宇宙如何演變至現今的面貌、未來又將如何發展等問題——或許是歷世歷代最深邃又最迷人的奧祕之一。今年的諾貝爾物理獎頒給了索爾.波麥特(Saul Perlmutter)、布萊恩.施密特(Brian Schmidt)及亞當.李斯(Adam Riess3 位博士,表揚他們發現宇宙加速膨脹的成就。這個透過觀測遙遠超新星而獲致的發現,不僅具有重大意義,也從此改變了人類對宇宙的看法。

二十世紀末宇宙大發現

1998 年關於「我們所在之宇宙正加速膨脹!」的發現,令專家都跌破眼鏡、大感意外。 在此之前,宇宙論學者普遍認為宇宙中物質本身的重力會把宇宙拉回來,所以宇宙的膨脹率將會隨著時間減緩——自1920 年代人們發現宇宙正在膨脹以來,宇宙的膨脹史一直是理解宇宙過程重要的一環。當時,有兩個天文學團隊利用遙遠的Ia型超新星(Type Ia supernova)測量宇宙膨脹率,試圖印證宇宙膨脹隨時間減緩的假設。其中一個團隊由波麥特博士領軍,在勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)執行「超新星宇宙學計畫(Supernova Cosmology Project)」;另一個是由施密特博士和李斯博士領軍的跨國團隊,進行「高紅移超新星搜尋(High-Z Supernova Search Team)」計畫;當時李斯博士是加州大學柏克萊分校榮獲Miller研究獎金的博士後研究員,與位於勞倫斯柏克萊國家實驗室的波麥特博士只有咫尺之遙。
圖一:1572 年丹麥天文學家第谷首次觀測到的Ia 型超新星
爆炸,現稱做第谷超新星,或SN 1572。此圖是由X射線和
紅外線合成的觀測影像。

Ia型超新星是少見的、激烈的白矮星爆炸的結果。如果白矮星恰巧處在兩顆星互繞旋轉的雙星系統內,而能逐漸吸取另一顆伴星的質量,當白矮星達到1.38 倍太陽質量(即稱為Chandrasekhar limit 的臨界質量)後, 它的電子簡併壓力(electron degeneracy pressure)無法繼續支持本身之萬有引力,便會經歷一次熱核的爆炸。爆炸的能量驚人,短期內超新星甚至比所在的星系更亮。由於爆炸的白矮星質量都相同,我們預期在全宇宙中,每次這類爆炸所釋放的能量是相同的,因此,釋放的光也相同。這是很重要的一個假設:Ia型超新星在理論上是好的「標準燭光」(standard candles),因為我們預計它們的內秉光度(intrinsic luminosity ,即本身的光度)是相同的。

根據此一假設,透過觀測超新星的視星等(apparent magnitudes ,即看起來有多亮),我們能根據亮度與距離平方成反比的規律,推算出超新星所在的距離。除了星等以外,也能觀測超新星發出的光因為宇宙膨脹而紅移了多少(紅移值可從超新星因宇宙膨脹而退行的速度導出)。測量超新星的距離,使我們知道它爆炸的時間;藉超新星光譜得出的紅移值,指出宇宙從那次爆炸算起又膨脹了多少。如此,透過測量許多不同距離外的遙遠Ia 型超新星,我們就能推算出宇宙的膨脹歷史。【更詳細的內容,請參閱第504期科學月刊】

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