宇宙學

宇宙膨脹不一致?

2020-06-01 撰文/潘尼克(Richard Panek)
科學家運用兩種方法測量宇宙膨脹速率,卻得到不同的哈伯常數值。修正宇宙學標準模型或測量方法,可能幫助我們解決這場危機。

重點提要
■ 天文學家運用兩種方法,反覆測量描述宇宙膨脹速率的哈伯常數,這兩種測量方法產生了棘手的衝突。
■ 其中一種方法涉及測量晚期宇宙中的超新星與恆星,另一種方法則憑藉大霹靂遺留下來的輻射。
■ 兩種測量方法可能都存有問題,會導致相異的結果,但眾人找不到問題所在。另一個可能性則是存有尚未發現的現象,亦即新物理。

到了20世紀末時,宇宙學標準模型似乎已經完備。這模型雖瀰漫著神秘感,充斥許多新奇事物留待進一步研究,但總的來說,所有要素恰如其份地整合在一起:在宇宙的組成中,暗能量(促使宇宙加速膨脹的神秘事物)佔了大約2/3,暗物質(決定宇宙結構如何演變的神秘物質)約佔1/4,而普通物質(過往數十年,這類物質一直被認定為構成我們與行星、恆星、星系和其他事物,進而形成整體宇宙)只佔了4%或5%。全部加總起來,成就了百分百的宇宙。


先別急,或更精準說,這麼認定就太急了!


近年來,兩種測量宇宙膨脹速率(即哈伯常數H0)的方法得到了明顯不同的結果。假如從現今宇宙開始測量,並往前追溯至越來越早期的宇宙,始終測得特定的H0值。但是若從宇宙最早階段開始測量,並向後推進至現今,則一直測得另一個H0值;其中一個數值意味著宇宙膨脹速率比我們所設想的更快。


這種差異在數學上相當微妙,但若把如此微妙的數學差異放大到宇宙整體的時空尺度,通常會產生非常明顯的重大差距。了解宇宙當前膨脹速率可幫助宇宙學家回溯時光,確立宇宙年齡。根據目前理論,宇宙膨脹速率甚至可讓他們預先往後推算,何時星系之間的距離會變得無比遼闊,以致於我們跨出銀河系時僅能凝視一片空曠的孤寂。此外,正確的H0值可以幫助我們闡明驅動宇宙加速膨脹的暗能量本質。


到目前為止,從早期宇宙往後測量可得知特定的H0值,而從現今宇宙向前追溯可測得另一個數值。這種情況在科學中並不罕見。一般狀況下,這樣的差距經更嚴格的檢視後會逐漸拉近;正是這樣的預期,使得宇宙學家在過去十年中仍能安心堅持原本的信念。但是這差距逐年變大,兩種測量方法的結果越來越難以調和。現在科學家終於在處理此問題上達成共識。


所有人都不認為宇宙學標準模型完全錯誤,儘管必然有某些事出了差錯,或許是觀測結果,又或許是對觀測結果的詮釋,但這兩種狀況不太可能都出錯。同樣不太可能發生、又逐漸沒那麼難以想像的是,我們還有最後一個選項:宇宙學模型本身確實出現了一些問題。


星系遠離中


在人類大部份歷史中,宇宙起源的「研究」都與神話相關——涉及「太初」這一主題的各種變化。1925年,美國天文學家哈伯(Edwin Hubble)宣佈自己解決了數百年來關於散佈在天空中的雲霧狀天體(即所謂的「星雲」)謎團,因而把宇宙起源的研究往經驗主義邁進了一步。究竟那些星雲是否在滿佈恆星的天幕內形成呢?若真的如此,最強大望遠鏡所見的那幅恆星天幕或許就是宇宙整體。但若那些星雲是類似我們銀河系這樣的「島宇宙」呢?哈伯發現,至少有一個星雲就是如此,即今天稱為仙女座星系的天體。


此外,當哈伯觀測其他星雲發出的光時,發現那些光的波長往可見光譜的紅色端偏移,亦即「紅移」,這代表那些光源都正遠離地球。(光速恆定,但光的波長改變了,波長則決定顏色。)1927年,比利時物理學家兼牧師勒梅特(Georges Lemaitre)注意到一種模式:距離越遠的星系,其紅移越大;而星系距離越遠,退行速度就越快。1929年,哈伯也獨立得出同樣的結論:宇宙正在膨脹當中。


膨脹的源頭是什麼?若把宇宙的向外擴張反轉,最終將回歸到一個類似某種誕生事件的起點。一些理論學家幾乎立刻提出了時空爆發的說法,這起點後來稱為(最初貶義十足的)「大霹靂」。由於這概念聽來太過神奇,加上數十年來缺乏實際證據,大多數天文學家並不重視。這情況直到1965年才發生變化,當年5月的《天文物理期刊》同時發表了兩篇相關論文:第一篇由美國普林斯頓大學的四位物理學家撰寫,預測宇宙從太初火球誕生後遺留下來的溫度,第二篇則由貝爾實驗室的兩位天文學家報告此溫度的測量結果。


貝爾實驗室的無線電波天線記錄到從天空各個方向而來的一層輻射,這輻射後來稱為「宇宙微波背景」(CMB)。從中測得的溫度比絕對零度高出三度,雖然並不完全吻合普林斯頓大學四位物理學家的預測,但這首次測量已相當接近,學界迅速在大霹靂的解釋上達成共識。1970年,曾受哈伯指導的桑達吉(Allan R. Sandage)在《今日物理》上發表一篇頗具影響力的論文〈宇宙學:兩個數字的搜尋〉,這主題實際上確立了這個新學門未來幾十年研究計畫的走向。桑達吉表示,第一個數字是宇宙目前的膨脹速率——哈伯常數,而第二個數字則是宇宙膨脹減慢的速率,即減速參數。


加速與減速


科學家首先確立了第二個數字。自1980年代後期開始,兩組研究團隊著手使用共同的假設與工具來測量減速參數。這假設認定在散佈著物質的膨脹宇宙中,所有物質都藉由重力吸引與其他物質相互拉扯,宇宙膨脹勢必會減慢。共同的工具則是Ia型超新星,天文學家認為這類爆炸的恆星可當做「標準燭光」;每一個光源的發光功率都相同,其亮度可用於比較不同光源的相對距離。(當你遠離一顆功率固定的燈泡時,它會顯得越來越暗,如果你知道它的功率是60瓦特,就可以推算出它與你之間的距離。)倘若宇宙膨脹真的如同天文學家所假設的變慢,那麼比起宇宙以固定速率膨脹時,遠方的超新星將以較慢速度遠離,因此變暗程度也較不明顯.......


# 關鍵字:宇宙學天文學
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