天 文 新 知|
2003 年 年 初 ， 美 國 太 空 總 署 發 佈 了 一 幅 天 文 圖 像 ， 顯 示 了 早 期 宇 宙 令 人 目 眩 的 細 節 ， 這 可 能 是 過 去 數 年 來 最 重 要 的 科 學 成 果 。 科 學 家 利 用 「 威 爾 金 森 微 波 各 向 異 性 探 測 器 」 (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP) ， 測 量 來 自 不 同 方 向 的 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 ， 展 示 了 大 爆 炸 後 的 餘 輝 。
圖 中 是 一 張 宇 宙 遠 古 餘 輝 的 全 天 圖 ， 紅 色 代 表 較 「 高 溫 」 的 區 域 ， 藍 色 則 為 較 「 低 溫 」 的 部 份 。 橢 圓 形 的 全 天 圖 所 使 用 的 投 影 法 和 世 界 地 圖 相 類 似 。 宇 宙 萬 物 其 實 皆 沐 浴 於 一 種 微 波 輻 射 之 中 ， 它 代 表 著 平 均 只 有 2.73 絕 對 溫 度 ( 絕 對 零 度 即 攝 氏 -273 度 ) 的 冰 冷 空 間 。 宇 宙 背 景 微 波 輻 射 的 溫 度 極 端 一 致 ， 全 天 只 有 極 微 小 的 差 別 。 但 由 於 WMAP 的 超 高 靈 敏 度 儀 器 可 測 量 低 至 數 百 萬 分 之 一 度 的 溫 差 ， 它 才 能 不 負 所 托 ， 得 出 至 今 最 精 細 的 全 天 微 波 背 景 輻 射 溫 度 圖 。 根 據 大 爆 炸 理 論 ， 早 期 的 宇 宙 主 要 由 電 子 和 質 子 組 成 ， 是 一 團 高 密 度 、 極 端 熾 熱 、 不 透 光 的 等 離 子 體 ， 它 不 斷 放 射 、 散 射 和 吸 收 光 子 ， 是 宇 宙 背 景 輻 射 的 源 頭 。 當 宇 宙 不 斷 膨 脹 ， 宇 宙 的 溫 度 亦 隨 之 下 降 ， 當 溫 度 低 於 2,967 絕 度 溫 度 時 ， 電 子 和 質 子 便 會 開 始 結 合 而 成 為 中 性 的 氫 原 子 。 由 於 氫 原 子 不 會 吸 收 電 磁 波 ， 所 以 原 本 被 羈 絆 的 光 子 終 能 在 「 透 明 」 的 宇 宙 中 自 由 穿 梭 ， 成 為 宇 宙 背 景 輻 射 。 在 開 始 時 ， 背 景 輻 射 的 光 子 能 量 極 高 ， 波 長 比 伽 瑪 射 線 更 短 ， 隨 著 宇 宙 的 膨 脹 ， 背 景 輻 射 的 波 長 亦 被 拉 長 ， 最 後 成 為 我 們 現 在 所 見 的 微 波 輻 射 。 簡 單 來 說 ， 科 學 家 所 探 測 到 的 宇 宙 微 波 背 景 輻 射 ， 是 來 自 剛 轉 為 「 透 明 」 前 的 宇 宙 。 根 據 理 論 推 算 ， 這 個 轉 變 發 生 在 大 爆 炸 380,000 年 之 後 ， 換 句 話 說 ， 圖 中 所 顯 示 的 是 超 過 130 億 年 前 的 宇 宙 。 微 細 的 溫 度 差 異 標 誌 著 早 期 宇 宙 的 物 質 分 佈 情 況 ， 是 它 催 生 了 星 系 團 ， 最 後 慢 慢 形 成 現 今 所 見 的 大 尺 度 宇 宙 結 構 。 經 過 細 心 研 究 宇 宙 背 景 輻 射 的 偏 振 情 況 ， 天 文 學 家 得 出 一 個 驚 人 的 結 論 ， 原 來 第 一 代 的 恆 星 早 於 大 爆 炸 後 2 億 年 已 出 現 ， 遠 早 於 早 前 的 估 計 。 WMAP 所 取 得 的 觀 測 數 據 ， 為 大 爆 炸 和 暴 脹 理 論 提 供 了 有 力 的 證 據 ， 亦 填 補 了 理 論 細 節 上 的 空 白 ， 讓 天 文 學 家 可 以 根 據 這 些 理 論 ， 清 晰 回 答 一 些 困 擾 天 文 界 多 年 的 老 問 題 。 究 竟 宇 宙 的 年 齡 是 多 少 ？ 宇 宙 中 究 竟 有 多 少 暗 物 質 ？ 又 有 多 少 「 暗 能 量 」 ？ 它 們 又 怎 樣 決 定 宇 宙 的 幾 何 結 構 ？ 現 在 天 文 學 家 有 足 夠 理 由 相 信 ， 我 們 日 常 所 見 的 普 通 物 質 只 佔 宇 宙 的 4% ， 暗 物 質 佔 23% ， 而 遠 為 神 秘 的 「 暗 能 量 」 竟 佔 73% 。 科 學 家 其 實 對 「 暗 能 量 」 仍 所 知 極 少 ， 只 知 道 它 有 反 重 力 的 特 性 ， 並 加 速 了 宇 宙 的 膨 脹 。 有 趣 的 是 ， 「 暗 能 量 」 並 非 新 鮮 的 概 念 ， 愛 因 斯 坦 早 於 多 年 前 ， 在 廣 義 相 對 論 引 力 方 程 中 加 入 的 「 宇 宙 常 數 」 ， 其 性 質 便 與 「 暗 能 量 」 不 謀 而 合 。 事 實 上 ， 宇 宙 中 暗 物 質 和 「 暗 能 量 」 的 多 寡 決 定 了 宇 宙 的 幾 何 結 構 。 假 若 宇 宙 中 的 物 質 和 能 量 的 總 密 度 低 於 臨 界 密 度 ， 它 是 一 個 空 間 曲 率 （Wo）為 負 、 馬 鞍 形 的 開 放 宇 宙 ； 假 若 密 度 和 臨 界 密 度 相 等 ， 空 間 曲 率 為 零 ， 宇 宙 如 一 張 白 紙 般 平 坦 ； 假 若 密 度 高 於 臨 界 密 度 ， 它 則 是 一 個 空 間 曲 率 為 正 、 球 形 的 封 閉 宇 宙 。 若 宇 宙 是 封 閉 的 且 擁 有 類 似 於 球 體 的 幾 何 結 構 ， 向 前 發 射 的 光 線 將 會 先 散 開 ， 但 最 終 會 聚 焦 並 回 到 發 射 原 點 。 根 據 為 改 進 大 爆 炸 理 論 而 發 展 出 來 的 暴 脹 理 論 ， 宇 宙 密 度 必 定 接 近 於 臨 界 密 度 ， 所 以 宇 宙 應 是 平 坦 的 。 在 儀 器 誤 差 的 範 圍 內 ， WMAP 證 實 了 這 個 預 測 。
科 學 家 在 仔 細 比 較 和 結 合 WMAP 與 其 他 測 量 方 法 ( 包 括 星 系 團 、 賴 曼 a 星 雲 群 、 超 新 星 等 ) 所 得 到 的 數 據 後 ， 最 終 得 出 了 一 個 為 天 文 學 界 普 遍 接 受 的 結 論 ， 我 們 的 宇 宙 是 ：
參考資料：http://map.gsfc.nasa.gov/m_mm.html
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