天文太空

看見宇宙太虛之境

天文學家為了解釋宇宙微波背景輻射(CMB)中令人費解的冷點,竟然發掘出一個更詭異的現象:幾乎空無一物的超級空洞。

撰文/沙普迪(Istvan Szapudi)
翻譯/李沃龍

天文太空

看見宇宙太虛之境

天文學家為了解釋宇宙微波背景輻射(CMB)中令人費解的冷點,竟然發掘出一個更詭異的現象:幾乎空無一物的超級空洞。

撰文/沙普迪(Istvan Szapudi)
翻譯/李沃龍


想一窺宇宙最古老的光子所留下的跡象,只要打開古董電視機就行了。轉換頻道時電視螢幕上顫動不已的微小雜訊,正是138億年前大霹靂後不久所釋出的光子持續不斷轟擊電視天線的結果。這些平均溫度2.7K(約-270℃)的光子,均勻在空間中各個方向穿梭,稱做宇宙微波背景輻射(CMB)。由於這些光子如此古老,因此著名的CMB二維分佈圖常被視為宇宙的「嬰兒圖像」,是今日一探太初宇宙環境最好的窗口。


不過,宇宙的嬰兒圖像有一些不完美的地方,物理學家把這些無法以標準宇宙學模型解釋的瑕疵稱做「異常」。2004年,宇宙學家在美國航太總署(NASA)威金森微波異向性探測器(WMAP)的CMB分佈圖中首次發現的「冷點」(cold spot),是其中最明顯的異常;該區域在天空中跨幅是滿月的20倍,太初光子的溫度也異常的低。對某些宇宙學家而言,冷點不完全是宇宙嬰兒圖像上的瑕疵,倒像是破壞CMB宏偉對稱性的醜陋胎記;但也有其他宇宙學家認為它凸顯了宇宙的某些特性,更加令人振奮。而我就屬於後者,對CMB這個異常無比著迷,總在猜測其成因。


這神秘的謎引起學界諸多討論。其中一個解釋是冷點的形成純屬隨機,並無任何特殊原因,但發生這種情況的機率大約只有1/200。其他可能的成因則包羅萬象,從一般常見的儀器分析問題到天馬行空的揣想,冷點也可能是通往另一個宇宙或隱藏維度的入口。


2007年,我與一些天文學家從已知的宇宙性質發想,提出「超級空洞」(supervoid)概念:那是一大片幾乎沒有物質與星系存在的遼闊空間。如果冷點所在的空間是一個超級空洞,就可能解釋CMB的這個異常。這個巨大空洞的周遭是物質相對緻密的區域,成為太空中物質最稀疏的荒漠。這想法也暗示,如果超級空洞存在、並以我們設想的方式形成冷點,便可支持暗能量是引發宇宙加速膨脹的主因。近來,我與美國夏威夷大學的同事已確認超級空洞存在,並從一些有趣的線索推測它可能解釋冷點的存在。


穿過空洞、翻越山嶺


藉由仔細思索光子與小型空洞交互作用的模式,天文學家認為超級空洞可能存在,並導致冷點的形成。雖然超級空洞是極端狀況,但大小中等、包含少量星系的一般空洞卻屢見不鮮;再者,與空洞恰成對比的星系團(由上千個星系所組成),在宇宙中也非常普遍。宇宙學家認為空洞與星系團皆源自非常早期的宇宙,那時物質受到隨機的量子力學效應影響,在某些區域分佈較稀疏,在其他區域則較緻密。過緻密(overdense)區域包含較多質量、重力較強,可以持續吸引更多物質,因此與過稀疏(underdense)區域漸行漸遠。前者最終成為星系團,後者則變成空洞。


由於空洞中物質極少,任何穿過空洞的物質,都會呈現出如球翻越山嶺的現象(參見56頁〈登上孤寂寒冷的能量山嶺〉):當粒子進入空洞,遠離周遭具有較強重力場的高密度區域時,就如同滾上山坡的球一樣慢了下來;一旦離開空洞朝緻密區域運動,又像球滾下山坡一樣加速。


CMB光子穿越空洞時也遇到類似情況,雖然並不會改變速度(光速恆定不變),但能量會改變,變化程度正比於它們的溫度。當光子進入空洞(爬上山坡)時,光子損失一部份的能量,溫度會降低;如果宇宙沒有加速膨脹,當光子接著抵達空洞的另一頭(滾下山坡),便可重新獲得失去的能量,溫度會與剛進入空洞時相同。


但是過去20年,天文學家發現宇宙不僅會膨脹,膨脹速率似乎還不斷增加。多數宇宙學家把此加速現象歸因於「暗能量」,假設一種似乎無所不在的能量場,具有可以抵消重力吸引的負壓力。宇宙加速膨脹現象讓前述翻越山嶺的類比變得稍稍複雜:當CMB光子穿越空洞時,山嶺另一側地勢忽然抬昇,比剛進入空洞時還高;如此一來,翻過山嶺後,就無法恢復原先的能量,導致CMB光子穿越空洞後損失部份能量。因此,我們應該會在CMB分佈圖上低密度區域的附近,發現溫度降低,這個現象稱為「累積薩克斯-沃爾夫效應」(integrated Sachs-Wolfe effect, ISW效應)。此效應同樣可適用於超星系團的例子,只是光子在穿越較高質量的區域時,會獲得一些淨能量。


理論上,ISW效應的影響並不明顯。即使是大型空洞,溫度變化通常也小於CMB大約萬分之一的平均起伏(CMB本身的不均勻現象來自太初宇宙釋出光子時微小的密度差異)。但我們發現,超級空洞造成的溫度差異便足以形成冷點。如果我們能找到超級空洞,證實它就是CMB發生異常的關鍵原因,那麼除了解釋冷點,超級空洞還可以做出更多貢獻。例如,我們能夠提出暗能量存在的確切證據,因為只有當暗能量驅動宇宙加速膨脹,ISW效應才會發生。


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