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標題圖示科學新知科學新知/H0LiCOW!測量哈伯常數發現,宇宙跟我們想的可能不一樣

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。

  • 蘇游瑄的影片解說

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。

測量哈伯常數有什麼重要?

測量哈伯常數以及掌握此數值所代表的意義,在研究宇宙如何創生和演化的無論計算或模型上,都是不可或缺的基本要素。H0LiCOW 合作計畫大部分研究,是蘇游瑄在臺灣中央研究院天文所擔任助研究員期間完成,她目前轉到德國馬克思–普朗克天文物理研究中心工作,對於測量哈伯常數到底有什麼重要,蘇游瑄說:

「哈伯常數對現代天文學至關重要,因為它能協助我們去證實或反駁『宇宙是由暗能量、暗物質和普通物質組成』──這樣的宇宙認知,到底是否正確,或者是我們還少了某些關鍵。」

她還指出,哈伯常數對最新的天文研究領域非常關鍵,因為它可以幫我們檢視,現在我們所認知的宇宙,到底是對還是不對?究竟宇宙是不是由暗能量暗物質和普通物質所組成?還是,宇宙中還有什麼我們仍不知道?

測量哈伯常數很難嗎?

精確測量哈伯常數相當困難。推估運動速率是很直接,不會模稜兩可,但是,距離多少,這在天文學裡相當難算,只能用我們稱之為「標準燭光」的東西來測量。「標準燭光」的天體具有非常精確而已知的亮度,只要測量天體的亮度,拿它來和標準燭光做個比較,就可以推算出距離。

在過去幾十年計算哈伯常數的歷史中,所用到的標準燭光是「造父變星」和 「Ia 型超新星」,後者特別指在雙星系統裡所發生的「超新星爆發」。

獨立測量哈伯常數有何特殊含義?

科學界賦予獨立測量一種獨特的地位。一個數值能夠以多種測量方式取得,其精確度和正確性就可能越高。由 H0LiCOW 團隊獨立測量得出的哈伯常數測量值,和 2016 年哈伯太空望遠鏡在鄰近宇宙所得到的測量值非常一致(註3)。這是值得強調的事實。

哈伯常數有三種,既有一致,也有不同,誰對了?

哈伯常數到底是多少,不是該拍板定案了?除非哪裡有問題?沒錯,問題來了,測量鄰近宇宙和測量大霹靂後所殘留的宇宙微波背景輻射(古早宇宙)的結果,不一致。

哈伯望遠鏡和 H0LiCOW 團隊從鄰近宇宙得到的數值接近,但是與目前的宇宙標準模型不合,而普朗克衛星測得的宇宙微波背景輻射得到的哈伯常數值,和宇宙標準模型很速配,但是卻和哈伯望遠鏡和 H0LiCOW 所得數值略差一截。

為什麼這些數值差這麼多,尤其他們的精確度卻又都是如此之高(參考註 3)?答案有可能是,其實我們根本不完全懂這個宇宙。這項差異有可能引領宇宙學進入一個前人未知的探索領域,是我們現有的宇宙觀和宇宙模型還未納入的新物理。

註解:

  1. H0LiCOW 全名是 H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring。
  2. 該研究使用到的望遠鏡包括有:哈伯太空望遠鏡(NASA/ESA)、凱克望遠鏡、甚大望遠鏡(ESO)、Subaru 望遠鏡、Gemini 望遠鏡、臺灣團隊參與儀器研發的「加法夏望遠鏡」(Canada-France-Hawaii telescope)、 NASA 的史匹哲太空望遠鏡。研究還使用到 Swiss 1.2-metre Leonhard Euler Telescope 和 MPG/ESO 2.2-metre telescope 等望遠鏡所提供資料。
  3. 根據歐洲太空總署和哈伯太空望遠鏡 2017 年 1 月 26 日發布的新聞稿:H0LiCOW 團隊得到的哈伯常數值是 71.9±2.7 公里/秒/百萬秒差距,即「每增加百萬秒差距的距離,膨脹秒速增加 71.9 公里誤差 2.7 公里」。另一科學團隊於 2016 年以哈伯太空望遠鏡測得之值是 73.24±1.74 公里/秒/百萬秒差距。歐洲太空總署普朗克衛星於 2015 年測量的哈伯常數是 66.93±0.62 公里/秒/百萬秒差距,仍是目前最精確的哈伯常數值。其精確度高低,看 ± 後面的數字可以知道,普朗克的誤差值是 0.62 公里,換言之,它如果是對的,其他測量法得到的結果應該在 66.31~67.55 公里/秒/百萬秒差距這個範圍之間,但其他測量方法得到的結果卻並不在這個區間,這顯示重大研究結果之間出現不一致。

本文編譯自 Alison Klesman 所撰寫的 HOLiCOW! Astronomers measuring the expansion of the universe confirm that we still don’t understand everything

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

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