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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(圖二)。

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。

如何描述宇宙


早期宇宙演化過程的研究,仰賴的是廣義相對論對時空幾何的詮釋......【更多內容請閱讀科學月刊第592期】