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2019-04-01關於宇宙的大小事
592 期
Author 作者
高文芳／在NASA成立那年出生，航海家1號發射那年上大學，超新星 SN1987a大放異彩那年拿到博士學位，喜歡教書、講故事。
宇是空間、宙是時間，宇宙即時間、空間 及存在此時空的萬事萬物。宇宙學研究的，就是此時空所有事物的演化過程。
宇宙正在加速膨脹—找出造父變星與地球的距離
天文學觀測最困難的挑戰，是遙遠天體距離的測量。在伽利略（Galileo Galilei）、克卜勒（Johannes Kepler） 之前，天文學家誤以為太陽離地球很近，誤判高達百倍，甚至認為太陽比地球小很多，因此，小不點的太陽繞地球轉被認為是天經地義的事。
19世紀末已經有不少科學家認為，銀河系裡的星雲有類似銀河系的螺旋結構，猜想它們應該是銀河系外的龐大天體，其結構與尺度與銀河系類似。但是1920年以前，多數科學家認知的宇宙，即現今熟悉的銀河系，只是「星雲」結構比較特別，沒有什麼不尋常的內情。若想知道這些星雲到底有多大，就需先清楚它們離地球多遠。為了釐清真相，科學家需要更大型的望遠鏡，也需要找對判斷距離的指標天體。
麥哲倫星雲裡有很多類似北極星的造父變星（Cepheid variable）。變星是特定恆星在演化過程，進入類似人類 的青春期或更年期，其體積、亮度都發生劇烈變化。造父變星在劇變時期會變得非常明亮，和所在的星系一樣顯眼，是一種很好識別的指標天體。
有趣的是，勒薇特（Henrietta Leavitt）在1908年發現造父變星的亮度變化週期和光源發出的總能量，也就是和光度有接近線性的關係。其光度可以利用恆星演化的物理推估，量測造父變星的週期，推算其光度，再利用亮度和距離平方成反比的關係，算出變星和地球的距離。
需要更大的望遠鏡
天文學家哈伯（Edwin Hubble）利用美國威爾遜山天文台（Mount Wilson Observatory）口徑100英吋望遠鏡，在1929年尋找星雲裡的造父變星，判斷之間的距離。觀測結果確認很多星雲離銀河系非常遙遠，而且不少星雲都比銀河系大。隨後，這些和銀河系結構類似的龐大天體，被正式命名為星系（galaxy）。
哈伯不但確認宇宙比當時認知的銀河宇宙大，且遙遠的星系多數都在往外跑、遠離地球外，他還利用光波的都卜勒紅移效應（redshift），也就是光源遠離觀察者波長會變長的關係，透過遙遠星系中特定元素的發射光譜線，因為遠離而產生紅移現象，推算光源退行的速率。最後，他得到星系遠離的速率離地球的距離成正比的哈伯定律（HubbleLemaître law），推論出宇宙正在膨脹當中。
科學家在利用愛因斯坦方程式描述宇宙膨脹後，才對紅移現象有較明確的認識。部分學者認為哈伯量測的紅移現象，是來自宇宙因膨脹高速退行所造成光源遠離，稱為重力紅移（gravitational redshift），與藉助狹義相對論描述光的都卜勒紅移現象做區隔。事實上，都卜勒的觀察對象是聲波，其與光波的紅移推導方式不同，後人是尊崇都卜勒的貢獻，才把光波的紅移現象也稱為都卜勒效應（Doppler effect）。
一切的開端—大霹靂模型
確認宇宙在膨脹後，便有人推測：宇宙越早期應該越小，而且最初應該小到不行。如果這麼多星系都擠在微小的空間，宇宙初始的溫度應該高到無法想像。因此有學者提出宇宙起始於一個超高溫、高壓的大爆炸，隨後才有持續不斷的膨脹，即眾所周知的大霹靂（Big Bang）學說。至於宇宙一開始有多小、有多高溫，就要借重廣義相對論和量子力學的知識一窺究竟。
大霹靂模型提出後，最初並沒有受到重視，也沒有專有名詞稱呼此現象。傳說這個聳動的名稱，出自天文學家霍伊爾（Fred Hoyle）接受訪談時脫口而出的譏諷。雖然事後他慎重否認，但是故事仍不脛而走。
銀河系除了有會發光的恆星，還有龐大的氣體塵埃如同霧霾擋住視線，為此天文學家為了銀河臂上黑壓壓的地方，到底是空空如也，還是有霧霾遮天爭吵不休。哈佛的沙普利（Harlow Shapley）教授發現霧霾幾乎都分布在銀河盤面，盤面外的星團幾乎不受觀測的影響。因此透過盤面外星團分布的觀測，確認銀河系分布的結構：直徑大約10萬光年，太陽系離核心約2.5萬光年，和當時多數科學家誤以為太陽系在銀河系中央的「地心說」相違，因此沙普利有「20世紀哥白尼」的尊稱，是當時的重量級天文學家。
有趣的是，當時許多科學家反對大霹靂的主要原因是銀河系已大到難以理解，要他們接受宇宙比銀河系還大無數倍，且擁有這麼多星系根本是不合理的推論，認為哈伯的觀測數據有嚴重瑕疵。更有趣的是，哈伯判斷距離根據的造父變星法，因為勒薇特先前的研究受到星際霧霾影響，差距甚大。哈伯不但誤以為仙女座星系比銀河系小，而且根據最早的數據回推，宇宙的年齡比地球還年輕。小龍女看起來比楊過還年輕的結果，一度讓哈伯成為天文界茶餘飯後的趣談。......【更多內容請閱讀科學月刊第592期】