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2024-05-01啟動巡天觀測計畫描繪全宇宙3D地圖 653 期

Author 作者林彥廷／2005年於伊利諾大學香檳分校取得天文博士學位，2012年返臺任職於中研院天文所至今，研究專長為星系形成與演化，興趣為古典音樂及近代物理史。

Take Home Message
•光譜能反映星系性質、成分、形成歷史等資訊，史隆巡天計畫以紅移觀測、分析星系光譜，建構出三維宇宙結構。
•今（2024）年初暗能量光譜儀計畫獲得4000萬個天體光譜，超過全天文界20多年來的累積成果，讓我們對70億光年內星系有更全面的了解。
•臺灣預計參加於2025年底開始的LSST計畫，每三天便能監測整個南半球天區，期待發現新天文現象。

今年的農曆初三，對多數人來說應該只是個尋常的一天。但在天文觀測史上可說是劃時代的一刻⸺美國主導的暗能量光譜儀（Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI）計畫，利用在亞利桑那州的梅奧爾四公尺望遠鏡（Mayall Telescope），在一個晚上量到了20萬個天體的光譜。

這個數字非常驚人。與20多年前相比，由英國和澳洲團隊組成的2度視場星系紅移巡天（2 degree Field Galaxy Redshift Survey, 2dFGRS），在1997～2001年花了272個晚上，才量到25萬個光譜。而與2dFGRS同時期的史隆巡天計畫（Sloan Digital Sky Survey），在2000～2008年花了超過八年的時間，才量到100萬個星系的光譜（圖一a）。而DESI從2021年5月開始，在短短兩年九個月的時間中，就獲得4000萬個光譜，遠遠超過先前所有天文計畫得到的光譜數的總和（圖一b）。

圖一
（a）史隆巡天計畫：史隆巡天計畫（第一到第四代）在2000～2020年測得的400萬個星系和類星體空間分布圖。
（b）DESI：DESI正式運轉後七個月內得到的750萬個天體分布圖。
（David J. Schlegel ,Berkeley Lab using data from DESI）

DESI建構宇宙三維地圖了解宇宙膨脹歷史

究竟DESI如何完成這項驚人的創舉？DESI是由美國能源部（United States Department of Energy）所資助的國際計畫，它的主要目標是了解暗能量（dark energy）的性質。什麼是暗能量？目前沒有人知道，但科學家相信這是一個促使宇宙加速膨脹的力量。它就像是早期物理學家所相信的以太（aether），瀰漫在整個宇宙，而它所施加的負壓力，超越宇宙中所有物質能施展的重力。若宇宙以這樣的狀態持續加速膨脹，在遙遠的未來，所有的星系都將因為空間膨脹而被拉到可見的宇宙之外。在那個時候，銀河中的智慧生命就會認為宇宙中只有一個星系，與人們100多年前的認知沒有差異。

與暗能量相比，我們對「暗物質」（dark matter）有較多了解。暗物質是一種不會發光、不參與電磁作用的物質，占宇宙質能約25％，是我們平時生活中可接觸，肉眼可見的普通物質總量的五倍（也就是說，普通物質只占5％，剩下的70％就是暗能量）。暗物質可能是在物理標準模型之外的基本粒子，會透過重力和普通物質起反應，移動速度不快。至於其餘的性質，我們幾乎一無所知。天文學家普遍接受的理論是，星系就是在暗物質叢簇的「暗物質暈」（dark matter halo）中形成，若沒有暗物質，行星乃至於生命，都無法產生。

1920年，美國天文界舉辦了一場辯論，主題是宇宙的大小，以及世界上是否有銀河以外的星系。當時美國哈佛大學（Harvard University）的天文學家沙普利（Harlow Shapley）主張銀河就是整個宇宙，其他當時發現的星系都只是位於銀河邊緣的星雲。另一方面，美國匹茲堡大學（University of Pittsburgh）的天文學家柯蒂斯（Heber Curtis）提出另一種論點，他認為仙女座「大星雲」必定是離我們相當遙遠的一個星系，也就是宇宙中存在其他的星系。由於缺乏決定性證據，這場辯論沒有真正的結論。

但是四年後，哈伯（Edwin Hubble）透過造父變星（Cepheid）的觀測結果，確定仙女座大星系和其他幾個星系的距離，都遠大於當時所知的銀河系大小，支持了柯蒂斯的論點（圖二）〔註〕。在接下來的幾年內，進一步的觀測結果也驗證了哈伯－勒梅特定律（Hubble-Lemaître law）⸺離我們愈遙遠的星系，遠離我們的速度就愈大，得出宇宙正在膨脹的結論。

圖二｜哈伯對造父變星的觀測結果，證明了仙女座大星系（左圖）是銀河以外的另一個星系，顛覆了世人當時的宇宙觀。右下圖是哈伯記錄到的造父變星（以VAR!標註，表明了他當時的興奮心情）；右上圖則是哈伯太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）拍到的那顆造父變星（以圓圈標註）。（NASA, ESA and Z. Levay (STScI); NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)）