宇宙藍圖有新譜-科學人雜誌 Back to Top
天文物理

宇宙藍圖有新譜

2021-07-01 道森(Kyle Dawson)、普瑟渥爾(Will Percival )
耗時20年繪製的宇宙三維圖涵蓋數百萬個星系,並說明 110億年來的空間膨脹過程,將有助於解答大尺度結構、暗能量這類關於整個宇宙的最大謎團。

重點提要

  1. 星系三維分佈圖有助於天文學家了解星系的位置、宇宙的幾何形狀和空間的膨脹過程等關鍵訊息,以描述詳細的宇宙歷史。
  2. 史隆數位巡天計畫於2000年展開,耗費了20年觀測1/3的天區,記錄400多萬個星系位置,並蒐集200萬個星系的光譜資料。
  3. 這幅全新的宇宙圖涵蓋了宇宙大部份歷史,展示110億年來的空間膨脹過程,有助於理解暗能量本質,以及主導宇宙演變的基本規律。


正如知名科幻作家亞當斯(Douglas Adams)在《銀河便車指南》(The Hitchhiker's Guide to the Galaxy)中寫道:「太空很大……非常遼闊,廣袤無垠,大得超乎你想像。」我們兩人和許多天文學家都致力於在最大的尺度範圍內繪製宇宙全圖,希望能藉此理解宇宙的大小與其運作方式。


我們所繪製的宇宙圖對研究驅動宇宙歷史的物理學至關重要。2020年7月時,我們兩人所參與的「史隆數位巡天」(Sloan Digital Sky Survey)計畫,耗時20年製作出有史以來最大的宇宙物質分佈圖,納入我們的周遭環境、空間最遠的盡頭,以及介於其間的一切事物。這幅三維圖展現了400多萬個星系的位置,它們有如路標般坐落在數十億光年的範圍內,可一直回溯至宇宙誕生的最早期年代。


這幅宇宙圖顯示星系並非隨機散佈於空間之中,而是以某種模式聚集在一起:由星系組成的長絲狀與二維片狀構造,分佈在某些區域裡;其他區塊則由只含少量星系的黝黑空洞(void)所佔據。科學家相信這些模式早已形成於星系誕生前,在大霹靂後不到10億年就開始增長。藉由盡可能繪製涵蓋最多歷史的宇宙圖,得以記錄這些模式的增長過程,並推論出主導其演變的基本規律。這幅星系分佈圖將提供關鍵訊息,以釐清諸如宇宙的幾何形狀、驅動空間加速膨脹的暗能量本質等物理學中一些最大的謎團。


選定標準量尺

史隆數位巡天使用位於美國新墨西哥州阿帕契峰天文台的史隆基金會望遠鏡,這項大型觀測計畫含括「擴大重子振盪光譜調查」(extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, eBOSS)及其先前項目BOSS,針對所謂的「重子聲波振盪」(baryon acoustic oscillation, BAO)效應,觀測散佈在整個空間之中的星系排列型態。為了理解這種排列型態,必須把從大霹靂後的瞬間開始、宇宙在最初大約38萬年裡的演變納入考量。起初,宇宙經歷一段稱為「暴脹」(inflation)的極速膨脹期;在那段期間,原本只有次原子大小的宇宙急劇增長,在10-32秒內就增長成一顆高爾夫球的尺寸。在此膨脹過程中,宇宙能量分佈裡微小的量子漲落(quantum fluctuation)延展成大尺度的起伏:能量密度較大的區域逐漸吸引越來越多的物質,其他區域則變成空洞。在接下來138億年裡,這些物質密集處形成了現今觀察到的長絲狀、片狀和團狀的星系群。天文學家稱此過程為結構的增長。


BAO模式源自於光和物質的交互作用,影響了結構的形成。宇宙裡的物質可分為兩類:一類是可與光發生交互作用的物質,也就是日常生活中熟悉的普通物質;另一類則是不與光發生交互作用的暗物質。在高溫緻密的早期宇宙之中,由於普通物質粒子和光子經常相互碰撞,基本上緊黏在一起,而暗物質可以自由獨立運動。重力吸引暗物質聚積在稠密區域的中心,但是試圖向外運動的光所產生的壓力牽引著普通物質,不讓它沉淪其中。


普通物質和光在大霹靂後約38萬年才分道揚鑣,當時的宇宙因膨脹而冷卻,使粒子得以擴散,光子從此可自由傳播。現今在天空中仍可觀測到的宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)輻射,也就是宇宙首次釋出的光。一旦光與物質不再彼此束縛,大量普通物質就留在暗物質密集區的球形外殼中。雖然重力把普通物質與暗物質都吸引到這些結構當中,但此過程在宇宙的物質分佈上留下了一種特殊跡象:每個極度緻密的核心都由球形外殼所包覆。這種排列型態是BAO的特徵,其大小稱為共動聲界(co-moving sound horizon),可在這幅星系分佈圖中看見。


我們團隊把此特徵當做測量宇宙距離的簡便方法,也就是所謂的標準量尺(standard ruler)。由於這些排列型態幾乎都在同一時間以相同方式產生,所以核心與球殼的內在尺寸都一致──每個核心與球殼相距4.9億光年。但在星系分佈圖上看到這些形狀時,其大小稍有差異,這取決於它們與地球相隔多遠。因此,測量它們在夜空中的外觀大小,並將其與所知的內在尺寸相比,就可得知它們與地球之間的距離。


記錄宇宙時光

運用這些標準量尺距離的計算結果,便能測量一組星系群的平均距離,但它們無法獨自提供有用的宇宙學訊息,因此需要關於星系退行速度的其他資訊。史隆數位巡天擁有極佳的設備來記錄這項數據,除了對天空的1/3區域拍攝深層影像之外,還運用可把天體發出的光提取出不同波長的光譜技術,來觀測200萬個星系和類星體(這類星系的明亮核心都有一個黑洞)。這些光譜測量可顯現星系遠離的速度,遠離速度取決於光從發出至觀測期間的宇宙膨脹程度。由於空間膨脹拉伸了波長,使光變得更紅,天文學家把此現象稱為紅移。


BOSS和eBOSS每一次觀測時會蒐集1000個天體的光譜資料,每個天體都有其專屬光纖電纜,而每條光纜皆連結至望遠鏡焦平面上的一塊鋁板。在即將進行夜間觀測時,各小組在特製的筒子裡裝上八塊這樣的板子,並手動把一根根光纖分別塞進1000個孔洞。兩名技術人員大概需花半小時來塞好一塊板子。2012年3月是史隆數位巡天開始觀測以來成效最佳的一個月,當時我們用這些板子觀測了10萬3000個光譜。


我們從世界各地望遠鏡所拍攝的影像數據中,事先挑選了目標星系,而技術人員使用華盛頓大學一部由電腦控制的機器在鋁板上鑽孔。當望遠鏡指向天空中某特定區域進行一小時的觀測時,每個孔洞內的光纖就可完美對準目標星系或類星體的中心。


在2009年12月至2019年3月期間的每個夜晚,只要月光不格外明亮,望遠鏡就會記錄一塊天區,光纖把落在焦平面上的光輸入兩具攝譜儀。這些現代的偵測器數位相機可測量光的強度與波長的關係。透過這些數據,便可計算出每個星系的紅移。


在eBOSS及BOSS蒐集數據的近10年間,測量了400多萬個星系的位置和紅移。由於遙遠星系發出的光要經歷很長時間才抵達望遠鏡,BOSS和eBOSS所發佈的星系分佈圖便展示了110億年來的宇宙時光,涵蓋宇宙大部份的歷史......


更多文章
活動推薦更多
追蹤科學人