2019年3月28日

關於宇宙的大小事

高文芳/在NASA成立那年出生,航海家1號發射那年上大學,超新星SN1987a大放異彩那年拿到博士學位,喜歡教書、講故事。

宇是空間、宙是時間,宇宙即時間、空間及存在此時空的萬事萬物。宇宙學研究的,就是此時空所有事物的演化過程(圖一)。

圖一:宇宙非常均勻、沒有方向性。從大霹靂起算,現在已經大約138億歲,由於宇宙正在加速膨脹,看得到的最遙遠光源,已經離地球大約460億光年。(NASA WMAP science team)

宇宙正在加速膨脹—
找出造父變星與地球的距離
天文學觀測最困難的挑戰,是遙遠天體距離的測量。在伽利略(Galileo Galilei)、克卜勒(Johannes Kepler)之前,天文學家誤以為太陽離地球很近,誤判高達百倍,甚至認為太陽比地球小很多,因此,小不點的太陽繞地球轉被認為是天經地義的事。

19世紀末已經有不少科學家認為,銀河系裡的星雲有類似銀河系的螺旋結構,猜想它們應該是銀河系外的龐大天體,其結構與尺度與銀河系類似。但是1920年以前,多數科學家認知的宇宙,即現今熟悉的銀河系,只是「星雲」結構比較特別,沒有什麼不尋常的內情。若想知道這些星雲到底有多大,就需先清楚它們離地球多遠。為了釐清真相,科學家需要更大型的望遠鏡,也需要找對判斷距離的指標天體。

麥哲倫星雲裡有很多類似北極星的造父變星(Cepheid variable)。變星是特定恆星在演化過程,進入類似人類的青春期或更年期,其體積、亮度都發生劇烈變化。造父變星在劇變時期會變得非常明亮,和所在的星系一樣顯眼,是一種很好識別的指標天體。

有趣的是,勒薇特(Henrietta Leavitt)在1908年發現造父變星的亮度變化週期和光源發出的總能量,也就是和光度有接近線性的關係。其光度可以利用恆星演化的物理推估,量測造父變星的週期,推算其光度,再利用亮度和距離平方成反比的關係,算出變星和地球的距離。

需要更大的望遠鏡
天文學家哈伯(Edwin Hubble)利用美國威爾遜山天文台(Mount Wilson Observatory)口徑100英吋望遠鏡,在 1929 年尋找星雲裡的造父變星,判斷之間的距離。觀測結果確認很多星雲離銀河系非常遙遠,而且不少星雲都比銀河系大。隨後,這些和銀河系結構類似的龐大天體,被正式命名為星系(galaxy)。

哈伯不但確認宇宙比當時認知的銀河宇宙大,且遙遠的星系多數都在往外跑、遠離地球外,他還利用光波的都卜勒紅移效應(redshift),也就是光源遠離觀察者波長會變長的關係,透過遙遠星系中特定元素的發射光譜線,因為遠離而產生紅移現象,推算光源退行的速率。最後,他得到星系遠離的速率離地球的距離成正比的哈伯定律(Hubble-Lemaître law),推論出宇宙正在膨脹當中(圖二)。

圖二:哈伯的觀測數據圖,水平軸是星系距離、垂直軸是星系退行速率,斜率就是知名的哈伯常數。

科學家在利用愛因斯坦方程式描述宇宙膨脹後,才對紅移現象有較明確的認識。部分學者認為哈伯量測的紅移現象,是來自宇宙因膨脹高速退行所造成光源遠離,稱為重力紅移(gravitational redshift),與藉助狹義相對論描述光的都卜勒紅移現象做區隔。事實上,都卜勒的觀察對象是聲波,其與光波的紅移推導方式不同,後人是尊崇都卜勒的貢獻,才把光波的紅移現象也稱為都卜勒效應(Doppler effect)。

一切的開端—大霹靂模型
確認宇宙在膨脹後,便有人推測:宇宙越早期應該越小,而且最初應該小到不行。如果這麼多星系都擠在微小的空間,宇宙初始的溫度應該高到無法想像。因此有學者提出宇宙起始於一個超高溫、高壓的大爆炸,隨後才有持續不斷的膨脹,即眾所周知的大霹靂(Big Bang)學說。至於宇宙一開始有多小、有多高溫,就要借重廣義相對論和量子力學的知識一窺究竟。

大霹靂模型提出後,最初並沒有受到重視,也沒有專有名詞稱呼此現象。傳說這個聳動的名稱,出自天文學家霍伊爾(Fred Hoyle)接受訪談時脫口而出的譏諷。雖然事後他慎重否認,但是故事仍不脛而走。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第592期】

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