天文太空

直擊暗能量

最新證據確認「暗能量」的存在,宇宙將會穩定的加速膨脹下去。

撰文/邱淑慧
2004-04

天文太空

直擊暗能量

最新證據確認「暗能量」的存在,宇宙將會穩定的加速膨脹下去。

撰文/邱淑慧
2004-04

當煙火在天空爆開的時候,一開始會迅速向外飛散,接著散開的速度便漸漸減緩。那麼,由大霹靂所創生的宇宙也應當如此囉?不過天文學家發現的新證據卻證實,創生於137億年前的宇宙雖然一直在膨脹,但是在60億年前,膨脹的速度卻開始由減速轉為加速!這不僅確認了神秘「暗能量」的存在,也為愛因斯坦的宇宙常數提供了證據。


該觀測證據來自錢卓X射線太空望遠鏡,它針對26個不同距離的星系團,拍攝其內部熾熱氣體的影像,然後藉由每個星系團裡熾熱氣體與黑暗物質的比例,調整估計距離的尺度,由此得知宇宙在60億年前開始加速向外擴張,證實了「暗能量」的確存在。


自從1929年哈伯(Edwin Hubble)發現宇宙膨脹以來,宇宙學家一直期望能夠量測到宇宙膨脹應會因為星系間重力吸引造成的減速,但意想不到的是,在1998年利用觀測可以做為距離指標的Ia型超新星,發現宇宙竟然是在加速膨脹!加速膨脹的力量來自哪裡?這讓他們百思不得其解。


利用錢卓X射線太空望遠鏡推算距離的方式:以上三張圖的左上方皆為錢卓太空望遠鏡,右上方為所觀測的星系團,下方橫條則代表錢卓太空望遠鏡在該星系團測得的熱氣體與暗物質的比例,綠色線代表估計的正確比例。我們所測得的星系團氣體比例會與預估的距離有關,因此藉由調整星系團的估計距離以使氣體比例有最佳符合。如:左圖熱氣體比例太低,表示該星系團預估的距離太近,需要修正;中間圖則符合正確值,表示距離正確;右圖則熱氣體比例太高,顯示距離太遠。(@NASA/CXC/M.Weiss)


許多科學家於是提出「暗能量」的概念,用來解釋加速膨脹的斥力來源。所謂的「暗能量」是一種奇怪的能量形式,作用如同是相斥的重力(一般而言,重力只有引力),存在每個物質之間。目前相信暗能量在宇宙形成時便已存在,但在星系間距離近時,彼此間引力較強,因此重力的影響遠大於暗能量的斥力,宇宙膨脹便因重力而減速。當星系間距離隨著宇宙膨脹而越來越遠,重力影響漸減,於是宇宙開始因暗能量的斥力而加速膨脹。


愛因斯坦在1916年發表的廣義相對論中,所加入的「宇宙常數」項其實就是物質間的一種斥力。愛因斯坦為了修正原來方程式所導致的變動宇宙,刻意加入了宇宙常數項修正,以產生相斥力量與重力抗衡,建立符合當時大多數人所深信的靜態宇宙。但後來哈伯的觀測確認了宇宙確實在膨脹,宇宙常數的說法便成了令愛因斯坦懊悔不已的錯誤。但現在看來,似乎又不是如此了!愛因斯坦的宇宙常數概念與暗能量竟不謀而合,但是,暗能量到底是什麼?


現在我們對暗能量所知非常有限,它可能是真空「空間」本身具有的能量,或是另一種如同第五元素般的新能量型態,也可能是重力本來就存在某種我們不曾發現的性質,或導因於我們熟知的三度空間以外的第四個維度,沒有人可以肯定或否定任一種可能,因為目前我們沒有方法可以量測它。正如英國劍橋大學的教授,同時也是這次錢卓研究團隊的負責人艾倫(Steve Allen)所指出的:「暗能量很可能是物理學上最大的謎團!」


由於先前哈伯太空望遠鏡與其他可見光觀測的結果,已經發現宇宙加速膨脹的現象,而錢卓太空望遠鏡的觀測結果更是確認了這個說法!因為錢卓太空望遠鏡與之前的可見光觀測,不僅是不同波段,觀測的天體也不一樣,但是它們卻都發現一樣的結果!錢卓太空望遠鏡獨立的確認,等於是為宇宙加速膨脹的說法提供了極為可靠的證據。


而X射線的觀測有其獨特優勢,可以測定星系團裡熾熱氣體和暗物質的比例。這次選定的26個星系團是經過仔細的篩選,分佈在距地球10~80億光年遠處,因此我們看到的是它們不同年齡的樣子,因此處在不同的動力鬆弛狀態,亦即每個星系團處在由剛形成時的能量雜亂擾動,逐漸藉由星系間的動力交換,趨向平衡過程中的不同階段。星系團是宇宙裡最大的重力束縛構造,所以其所含的各類物質之比例,通常被認為足以代表宇宙中物質的分佈。若是如此,每個星系團裡熾熱氣體和暗物質的比例應會一致,與宇宙物質分佈相同,但實際上計算出的每個星系團的氣體比例並不一致,這是因為會受到星系團預估距離的影響,因此藉由調整估計距離的尺度,使星系團熾熱氣體的比例與理想值達到最佳吻合。根據這些分佈在10~80億光年的星系團所得到的距離尺度,便可以了解宇宙在不同時期的膨脹情形。


同屬該團隊的英國劍橋大學天文學家費比安(Andy Fabian)指出:「利用量測這些星系團的距離,我們可說是直接看到了宇宙的加速膨脹!」而透過錢卓太空望遠鏡的這些新結果,我們了解到暗能量的密度最有可能是一個常數,不會隨著時間改變,符合愛因斯坦提出的「宇宙常數」概念。


如果真是這樣,那麼宇宙將持續穩定加速膨脹下去,星系群間與星系團間也會越來越遠,幾十億年後,許多現在已知的星系團就會遠得看不見了。另一方面,錢卓太空望遠鏡的數據也保留了暗能量會隨著時間緩慢增加的可能,這樣的情況下,宇宙則會持續加速一段漫長的時間,直到「大解體」(Big Rip)發生,到那個時候,星系、行星、甚至原子都已經被向外的力量給扯裂了。


然而想知道更確定的結果,需等待錢卓X射線太空望遠鏡、哈伯太空望遠鏡、威金森微波異向性探測器以及未來的X星座X射線望遠鏡更進一步的觀測結果,才能協助我們揭開暗能量的疑雲與宇宙未來的命運。


宇宙的三種歸宿--
 藍線:暗能量隨時間增加,宇宙步向「大解體」。
 紅線:暗能量幾乎是常數,宇宙穩定膨脹。
 白線:暗能量隨時間減少,宇宙因重力吸引減速膨脹,終至塌縮。
(@NASA/CXC/M.Weiss)

【參考資料】

http://chandra.nasa.gov/

http://chandra.harvard.edu/

http://www.universetoday.com/