天文太空

直視星空,破解宇宙膨脹

暗能量調查計畫費盡全力觀測天空,試圖描繪宇宙膨脹的過程,他們想知道究竟是重力必須修正,還是暗能量真的存在?

撰文/佛里曼(Joshua Frieman)
翻譯/李沃龍
2016-01

天文太空

直視星空,破解宇宙膨脹

暗能量調查計畫費盡全力觀測天空,試圖描繪宇宙膨脹的過程,他們想知道究竟是重力必須修正,還是暗能量真的存在?

撰文/佛里曼(Joshua Frieman)
翻譯/李沃龍
2016-01

重點提要
■某種因素導致宇宙加速膨脹,但究竟是什麼?科學家認為若不是一種稱為暗能量的作用力,就是必須修正對重力的理解。假如暗能量真的是主因,則至少可能有兩種解釋。
■一項稱為暗能量調查(DES)的新計畫,將全力研究宇宙膨脹的過程,以及暗能量如何阻礙星系在空間中的聚集,來破解此謎題。
■DES將觀測超新星、太初聲波的特徵、重力透鏡(光經過宇宙裡的物質時產生偏折)與星系團,以這四種探測方式來解答這些難題。


為何宇宙會加速膨脹?這個難題是現今科學界最大的未解謎題之一。


將近100年前,哈伯(Edwin Hubble)發現宇宙正在膨脹:幾乎所有的星系都在遠離我們銀河系,而且越遠的星系,退行速率越快。那項發現固然影響深遠,但我們在1998年看見了另一個更令人吃驚的現象:膨脹正加速進行中。


在20世紀的大部份時間裡,科學家認為隨著時間進展,重力將在各處把星系聚集在一起,減緩宇宙膨脹。兩組研究超新星的團隊,把那些爆炸的恆星當做測量宇宙距離的指標,卻發現宇宙實際上正加速膨脹。當這項引人注目的發現經由其他觀測證實後,便獲頒了2011年諾貝爾物理獎。


為了解開這個謎,宇宙學家有兩種不同的看法,任何一種都足以完全改變我們對自然定律的理解。一種看法認為牛頓(以及愛因斯坦)並未完全理解重力:雖然在地球上以及太陽系裡,重力總讓物質互相吸引,但在星系際空間的廣闊距離上,重力變成了斥力。我們或許應該修正重力理論,以運用在宇宙尺度上。


另一種看法認為宇宙裡充滿了某種看不見的東西,現在稱為暗能量,可抵消重力作用,使物體互相排斥,而非互相吸引。宇宙學的測量指出,若暗能量真的存在,將構築今日宇宙整體質能(根據愛因斯坦的知名公式E=mc2,質量等同於能量)的70%;暗物質是一種與暗能量無關的隱形物質,大約佔據25%;構成原子、恆星、行星與人類的普通物質,僅貢獻了5%左右。由於這幅圖像可簡潔解釋星系和宇宙大尺度結構的形成,並符合迄今為止所有的觀測結果,因此比起重力在大尺度上遵循不同規律運作的看法,這幅圖像獲得更多人注意。


但我們該如何確定暗能量正是造成宇宙加速膨脹的原因?此外,就算真的是暗能量造成,那麼它的本質又是什麼?我們最近展開了一項雄心宏偉的計畫,稱為「暗能量調查」(Dark Energy Survey, DES),期待能夠更加理解為何宇宙似乎加速撕裂。


這項計畫透過蒐集宇宙膨脹約140億年的完整過程,並精準測量大尺度結構(散佈在宇宙各處最廣大的星系聚合構造)的成長速率,應該能夠提供解答。我們藉由研究大尺度結構如何隨著時間聚集,希望能夠辨識出它們現在為何被扯開的各種原因。


我和美國費米國家加速器實驗室、芝加哥大學的同事,以及其他300位來自美國、西班牙、英國、巴西、德國與瑞士等25家研究機構的物理學家和天文學家,共同組成DES合作團隊。DES是由美國能源部(DOE)與美國國家科學基金會(NSF)提供資金運作,參與研究的單位和國外機構也會提供資助。DES團隊聯合建造、操作此計畫的核心硬體儀器──暗能量相機,並分析取得的數據。


2012年,我們把暗能量相機裝設在智利安地斯山脈的托洛洛山泛美天文台、一座口徑四公尺的望遠鏡上。暗能量相機在那年9月拍攝了第一張夜空快照,並在幾個月後正式運作。2013年8月31日,DES對準南半球天上一段狹長廣大的帶狀星空,正式展開調查。這項調查計畫從每年8月進行到隔年2月,將持續觀測五年,探測1/8的天空且包括大約兩億個星系,進而繪製成一幅高解析度的深空物質分佈圖,以及可用來追蹤宇宙膨脹的一份超新星名冊。這調查已經蒐集到豐富的新數據,目前正在分析當中,希望能夠一步步解開宇宙膨脹之謎。


互相競爭的假說


幸運的是,對科學家而言,如果暗能量確實存在,透過此觀測將可辨別修正重力(modified gravity)與暗能量的假說,也應該能夠釐清暗能量究竟是什麼。這調查將測試關於暗能量的兩種主要想法。最簡單的想法似乎違反直覺:暗能量是空無一物的空間能量。假設你取了一只盒子,清空盒中的所有物質,包括原子、輻射、暗物質等,而且沒有任何東西可穿透盒子。這樣一來,盒內就是完美的真空。根據古典物理,真空也就是空無一物的空間,並不帶有能量。但量子理論認為即使是真空也帶有能量,這能量來自「虛粒子」:任何時刻,一個粒子與其反粒子會同時出現,然後瞬間互相湮滅、回歸真空。虛粒子的能量正好構成暗能量所需的型態,並造成宇宙加速膨脹。


這種想法唯一的難處在於,若空間中的真空能量真的是暗能量,根據量子力學,其大小應該比觀測結果大了120個數量級(即10120倍)。宇宙學家會提出真空能量以外的其他想法,原因之一就是這項巨大差異。


DES測試的另一種想法是,暗能量其實是目前尚未偵測到的一種粒子,有可能是最近發現的希格斯玻色子的「遠親」:它可能具有希格斯粒子的某些性質,但質量輕了44個數量級。這種假設性粒子有時稱為「第五元素」(quintessence)。我們可以把這種粒子想像成在空間中每一點上都沿著山坡滾落的球,同時帶有動能(由於粒子的運動)與位能(由於山坡的高度);物體的位置越高,位能就越大。當球滾落時,位能降低而動能增加。假如第五元素的粒子極輕,質量約小於10-33電子伏特(相對而言,電子具有51萬1000電子伏特的巨大質量),那麼現今會以極慢的速率滾落,而動能遠小於位能。在此狀況下,它與真空能量的效應雖不等同卻類似,也會造成宇宙加速膨脹。即使大多數的第五元素模型預測,加速膨脹的發生時刻都比真空能量模型來得晚。