2017 三月號
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第136期電子報  出刊日期:1060321


科學新文摘

 

H0LiCOW!測量哈伯常數發現,宇宙跟我們想的可能不一樣

哈伯常數最新獨立測量證實,我們的宇宙模型可能需要小小修正。

哈伯常數(H0),是貫穿整個宇宙學研究領域的基本數值,可以用來說明宇宙膨脹得多快、估算宇宙年齡、宇宙的體積大小、宇宙裡有多少暗物質。

圖/ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

這張照片居中的 HE0435-1223,素以「得到很漂亮的重力透鏡效果」聞名。圖像顯示的是 HE0435-1223 和它周圍的 4 個「分身」影像──因為碰上了宇宙中的透鏡而產生「分身」。扮演「宇宙透鏡」的星系質量很大,重力很強。和眼鏡店裡的那些鏡片類似,「宇宙透鏡」把位在其正後方的 HE0435-1223 類星體所發出光線之光路改變。

順便一提,HE0435-1223 是這 4 個「分身」的「本尊」,中間的透鏡星系不是本尊,是質量特別大的星系,負責提供透鏡效果,前者稱為背景星系,後者稱為前景星系,較遠的在後,較近的在前。但是,因為角度的關係,圖中並無法分辨出孰為前景或背景。

就是這樣的「透鏡系統」,最近成為測量宇宙膨脹的最新工具。

H0LiCOW 測量哪些東西?

重力透鏡現象是在宇宙中,三點排成一直線的偶然結果。首先,三點的其中一個是地球;位於地球和最遠那一點的中間者,通常是質量比較大的天體(譬如星系),也稱為「前景」星系;三點中最遠的,則稱為「背景」星系,本身是極為明亮的天體,所發出的光,在經過前景大質量星系周圍時,大質量星系的重力場會讓經過它的光就像穿過一片玻璃透鏡一樣,光的路徑也會發生改變。這個過程有時還能把遠端明亮天體的影像複製出好幾個分身影像。

H0LiCOW 這項計畫(註 1),廣泛使用許多知名的地面型及太空望遠鏡(註 2)觀測到的透鏡星系圖像,用在哈伯常數的測量上。

究竟此團隊掌握什麼獨家技巧能做這樣的測量呢?原來,他們的想法是這樣,重力透鏡影像之產生,其實都存在著一些參數:「前景透鏡星系在形狀上的差異」、「遠端背景光源位置並不總是剛好對齊在正中央」等,因這些參數不同,遠端光線從一開始出發到抵達,途中走的路徑都不一樣,結果各自抵達地球也就有了時間差。

至於遠端光源,因為類星體的特色使然(H0LiCOW 計畫中的遠端光源都是「類星體」):能量強、很明亮、變化規律,天文學家經年累月觀測它們規律地閃爍,這種閃爍的特性,在每個受到透鏡作用的「分身」影像上,都一樣可以辨認得到。於是,這就可以用於確認每個分身影像抵達地球的時間差是多少,更重要的是,這樣的差異數值,直接和哈伯常數相關。

瑞士 EPFL 研究員 Frédéric Courbin 在團隊共同發布新聞稿中表示,H0LiCOW 團隊的這種方法,在目前用來測量哈伯常數的一些方法中,是最簡單又最直接的一種,因為只用到幾何學和廣義相對論,不需要用到其他假設。值得一提的是,這個結果的精確率達到 3.8%。德國馬克思–普朗克天文物理研究中心蘇游瑄團隊相信,未來的巡天觀測計畫將持續找到成百上千的更多重力透鏡類星體,重力透鏡時間差用於測量哈伯常數的這個方法非常有競爭力,得到的哈伯常數可望達到 1% 的準確度。

哈伯常數是多少?

H0 的單位是公里/秒/每百萬秒(km/s/Mpc)差距,百萬秒差距是一種天文學所使用的距離尺度,1 百萬秒差距等於 326 萬光年。H0 的公式看起來很簡單,即 H0=速度/距離,此速度是星系在直線上的遠離速度,因為宇宙在膨脹,所以遠方天體都在向後退。所以,用星系的運動速率除以星系和我們之間的距離,可以測量宇宙膨脹率。

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文章來源網址:http://pansci.asia/archives/114189

 

活動訊息_圖示

2016 諾貝爾物理學獎:拓樸相變和拓樸物質的理論研究發現—《物理雙月刊》

文/張明強副教授|國立中興大學物理系

2016 年 10 月 4 日,諾貝爾物理獎頒給美國華盛頓大學的 David J. Thouless , 布朗大學的 J. Michael Kosterlitz 和普林斯頓大學的 Duncan M. Haldane,三位得獎人均為英國出身。得獎的理由是「拓樸相變和拓樸物質的理論研究發現。(For theoretical discoveries of topological phase transitions and topological phases of matter) 」

拓樸性質起源於數學的研究,也就是在幾何學之外,研究物體被連續變化(比如說延展或彎曲),在不撕開或黏合或挖洞的狀況下,如何從一種幾何形狀變成另外一種幾何形狀的研究。

舉例來說一顆球和一個四方體拓樸性質一樣,可以想像球體不斷的變化之後,就可以變成四方體;而中間有一個洞的甜甜圈,拓樸性質和咖啡杯拓樸性質一樣,因為經過連續變化,甜甜圈可以變成有一個洞把手的咖啡杯。

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拓樸性質起源於數學的研究,也就是在幾何學之外,研究物體被連續變化,在不撕開或黏合或挖洞的狀況下,如何從一種幾何形狀變成另外一種幾何形狀的研究。如中間有一個洞的甜甜圈,拓樸性質和咖啡杯拓樸性質一樣。圖/By Salim Virji @ flickr, CC BY-SA 2.0

本來拓樸學和物理學關連並不大,直到 Thouless 和 Kosterlitz 開始研究二維古典系統的二階相變,事情才開始變化。在他們的研究之前,一般人對二階相變的了解,都是來自於金寺堡-藍道定理(Ginzburg-Laudau Theorem)。我們可以考慮一個磁性系統,鐵磁的產生是要有所有小磁鐵磁場指向同一個方向,而順磁性的相態來自於小磁鐵磁場的方向都不一樣,平均起來磁性就為零,我們稱這種小磁鐵磁場都指向同一方向為「對稱性破缺 (Symmetry breaking)」。金寺堡-藍道定理完全奠基於對稱性破缺。而二維古典系統,基本上在有溫度的情形下,因為熱漲落 (thermal fluctuation)非常強大,所以沒法形成對稱性破缺,因此大家的認定是不會有相變的存在。

這樣的情形也可以由物理量的相關性(correlation)來理解。同樣考慮磁性系統,我們可以考慮相距離很遠的小磁鐵(也稱為自旋)彼此間的相關性,相關性可以理解為當我改變一個自旋,另一個(遠距離)自旋跟著改變的量。我們發現三維鐵磁性(也就是有對稱性破缺)的相態中,兩個距離相當遠的自旋量相關性是一個常數。但在二維磁性系統裡,遠距離自旋相關性會慢慢接近零。且慢,接近零有兩種接近的方式,一種是多項式的接近零,一種是指數的接近零,多項式的接近零(比如說 r-2) 比指數的接近零(比如說 e-r) 要來的慢許多,因此這裡面暗藏著玄機。

Kosterlitz 和 Thouless 發現,非常低溫的時候,是多項式的接近零。遠距離鐵磁的相關性是多項式的接近零。然後慢慢增高溫度,系統會產生渦漩,而且不是一個一個產生,每次產生都成對,而且方向相反。我們稱為正渦漩或反渦漩,見圖一。正反渦漩會成對出現成對,剛開始出現不會影響鐵磁的相關性,但溫度越高,渦漩越來越多,溫度高到一個程度,渦漩不再成對出現,而是單獨出現,且渦漩改變遠距離鐵磁的相關性,從多項式變成指數接近零。這樣的相變,並不會有對稱性破缺,而是相關性的改變,我們稱為「KT 相變」,圖 1 顯示的就是這樣的相變圖。

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KT 相變。圖 1/@ nobelprize.org

渦漩其實就是一種拓樸態,就像颱風一樣,渦漩有一個很像颱風眼的構造,此種構造就是類似甜甜圈的洞,我們稱為奇點,見圖中放大區域。Thouless 和 Kosterlitz 是第一位利用拓樸性質來解釋相變。 後來發現不管在一為或二維系統,比如說超流體相變,KT 相變非常重要。也解釋很多低維度系統相變得產生,改變人們對相變的了解。

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活動訊息_圖示

主  題:當虛擬實境遇到物理實驗
日  期:106年3月23日(星期四)13:00~17:10
講  師:淡江大學教育科技系徐新逸教授、東南科大周雲虎教授
地  點:臺中一中科學館B1物理演示教室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2153980

主  題:數位時代的學習-談mooc線上教學與自學
日  期:106年3月28日(星期二)13:00~17:10
講  師:吳明德老師、張智詠老師
地  點:臺北市立松山高中視廳大樓四樓電腦教室4
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2168236

主  題:宇宙常數-愛因斯坦的惆悵與懊惱
日  期:106年4月6日(星期四)9:00~12:10
講  師:李沃龍教授(國立臺灣師範大學物理學系)
地  點:高雄中學 科學館 4樓 視聽教室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2163187

主  題:在自然科學探究與實作課程中培養學生科學能力
日  期:106年4月6日(星期四)9:00~12:10
講  師:林淑梤教授(國立彰化師範大學科學教育研究所)
地  點:國立花蓮高級中學綜合大樓3樓平面會議室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2168201

主  題:2017探究與實作教學研討會
日  期:106年4月9日(星期日)08:30~17:10
地  點:陸軍軍官學校
活動網址:https://inquirypracticeblog.wordpress.com/

 
科學活動及演講_圖示

主  題:人類終極夢想探索太空與核融合能源
講  師:李羅權院士
日  期:2017/3/23 (星期四)19:00 ~ 20:30
地  點:華山文創園區遠流別境2F拱廳
活動網址:http://sa.ylib.com/event/20170323/

主  題:穿越時空30年-太空船與彗星的約會
講  師:林忠義博士
日  期:2017/3/24 (星期五)19:00~21:30
地  點:國立中央大學科學教育中心106展廳
報名網址:https://goo.gl/DNWN5H

主  題:能源的代價
講  師:郭位教授(香港城市大學 )
日  期:2017/3/26 (星期日)上午10時至12時
地  點:國立科學工藝博物館南館演講廳
活動網址:http://freesci.tw/scholarmatch/page.activityshow.action?id=138

主  題:師法自然-更輕、更強、更韌的多功能仿生複合材料
講  師:陳柏宇副教授(國立清華大學 )
日  期:2017/4/9 (星期日)上午10時至12時
地  點:國立科學工藝博物館南館演講廳
活動網址:http://freesci.tw/scholarmatch/page.activityshow.action?id=139

 
 

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