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天文觀測解析/紅移觀測 其他星系正在遠離中

2011/11/06 【聯合報╱記者蔡永彬、陳幸萱】




蟹狀星雲源自1054年的超新星爆炸,是爆炸後留下來的殘骸。 圖/法新社

中央研究院天文及天文物理研究所助研究員張慈錦表示,天文物理學家已掌握超新星爆炸的物理機制,因此可以預估超新星爆炸時的亮度,再對照實際觀測結果,就可以得到超新星的距離。施密特、李斯與波麥特三位新科諾貝爾物理獎得主發現,極遙遠的超新星比科學家預期的還暗,再加上超新星的紅位移觀測,首先證實「宇宙正在加速膨脹」。

張慈錦指出,哈伯(Edwin Hubble)觀測宇宙中的可見光,發現其他星系正遠離我們,因此提出「宇宙正在膨脹」,但他認為宇宙的膨脹是等速的。除了遙遠超新星的亮度不如預期外,施密特等人在1998、1999年藉由觀測超新星的紅移,也發現其他星系其實正在加速遠離中,意即是宇宙的膨脹愈來愈快。

紅位移的原理類似「都卜勒效應」,當一個天體離我們遠去時,從地球接收天體發出的電磁波,會發現電磁波的光譜往長波長(紅光)移動,稱為「紅位移」或「紅移」,遠離的速度愈快,紅移愈大。

張慈錦說,目前宇宙加速膨脹的證據還有宇宙背景輻射變化、大尺度的宇宙結構研究,但超新星的觀測是最早被提出的證據。宇宙加速膨脹被提出後,背後的物理機制成了近十年天文、物理界的重要問題,「暗能量」也因此被提出來解釋宇宙的加速膨脹。

她表示,宇宙的能量密度會影響宇宙的膨脹速度、大小與幾何形狀,因此若能提出合理的能量密度模型,就可以推測宇宙的未來。目前天文學家認為宇宙可能會無限擴大,膨脹至密度極小、星系無法形成的低溫狀態,宇宙背景輻射也會持續下降。

宇宙半徑 約有465億光年

500年前,人類還認為地球是宇宙的中心;400年前,太陽系理論出現;100年前,人類發現銀河系外有遙遠的星系。接著美國天文學家Edwin Hubble發現,宇宙就像充氣的氣球般不斷膨脹。然而,宇宙究竟為什麼會膨脹?未來還會不會這樣下去?仍有許多難解的謎。

美國航空暨太空總署資深技術顧問李傑信表示,1960年代美國工程師Arno Penzias和Robert Wilson發現「宇宙微波背景輻射」(又稱「3K背景輻射」),它定下了137億年前的「大爆炸理論」(Big Bang),作為宇宙膨脹的開始,他們2人也獲得1978年諾貝爾物理學獎。

大約30年前,美國麻省理工學院講座教授Alan Guth提出「暴脹理論」。李傑信解釋,Guth的理論認為「大爆炸」發生後的10-35秒以前,整個宇宙體積非常小,光還能穿來穿去;但大爆炸發生後的10-35至10-32秒間,宇宙就像「發神功」一樣,暴脹了至少1023倍,也有一說是1027倍。

李傑信說,Guth認為這股「神功」來自某個「暗能量」。他估計,「大爆炸」後80億年內,宇宙以接近等速膨脹;近50多億年來,宇宙膨脹越來越快。直到現在,人類能觀測到的宇宙還不到它本身大小的「1千萬億億分之1」。李傑信形容,我們頭頂的天空之外,還有更廣大的「天外天」。

現在的宇宙究竟有多大?有些人認為,既然宇宙年齡是137億年,宇宙生成之初的光就走了137億年,所以宇宙半徑就是「137億光年」,李傑信指出這是完全錯誤的推測。他解釋,雖然光在走,但這137億年的時間裡,宇宙一直在膨脹;如果用Albert Einstein的廣義相對論計算,我們能觀測到的宇宙半徑約有465億光年。
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天文觀測解析/超新星比預期暗 宇宙加速膨脹

2011/11/06 【聯合報╱記者蔡永彬、陳幸萱】


圖/法新社


美國航空暨太空總署(NASA)天文學家用Spitzer太空望遠鏡在天空中尋找黑洞時,發現了一個巨大的超新星,今年1月14日NASA發布這張圖片。 圖/法新社

今年諾貝爾物理學獎頒給3位天文學家波麥特(Saul Perlmutter)、施密特(Brian Schmidt)、李斯(Adam Riess)。他們透過觀測遙遠的「超新星」,發現宇宙正在加速膨脹;瑞典皇家科學院指出,如果照這樣下去,宇宙將在酷寒中結束(end in ice)。

這3位學者發現,有50多顆遙遠的「超新星」所發出的光比預期來得弱,顯示宇宙膨脹速率正在增加。國立自然科學博物館館長孫維新解釋,超新星是「恆星爆炸後死亡的過程」,人們從它「本來」和「看起來」的亮度推出它離我們多遠;再透過星系的光譜,發現這些星系正快速離我們而去,導出宇宙在加速膨脹。

但是,我們怎麼知道超新星本來多亮?孫維新說,「Ia型超新星」是由恆星和白矮星構成的雙星系統中的「一種現象」:當該恆星走到生命盡頭,恆星上的物質流向白矮星,白矮星「背不動」時就會「坍縮」、向外爆炸。

美國航空暨太空總署資深技術顧問李傑信表示,Ia型超新星爆炸時,瞬間光度達到太陽的50億倍,神奇的是,不管它在宇宙中的哪個地方出現,剛爆炸時的光度都差不多,所以此時的光度可以當作「宇宙標準燭光」。

李傑信指出,只要測量某個Ia型超新星的亮度,我們就能得知它和地球間的距離,並求出它的光線出發時間和相對我們的速度;把每個時期的膨脹速率互相比較,就得出宇宙在5億年前開始加速膨脹。

中央大學天文研究所教授陳文屏表示,宇宙萬物靠著萬有引力相互吸引,即使整體在膨脹,也應該處於「內吸」狀態。如果宇宙加速膨脹,必定有股我們目前還不了解的能量抗拒萬有引力,稱作「黑暗能量」。

施密特前年曾應邀來台灣演講,他當時提到,宇宙中我們了解的物質只有4%,黑暗物質、黑暗能量分別占24%和72%。陳文屏形容,他們的發現打開人類視野,就像我們在晚上本來只看到眼前點點燈火,後來才發現還有許多其他東西,雖然有的亮、有的暗,它們卻都存在。
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天文觀測解析/ABC必學單字大閱兵

2011/11/06 【聯合報╱記者蔡永彬、陳幸萱】

supernova 超新星
universe 宇宙
white dwarf 白矮星

延伸閱讀

1.Christopher Potter著、蔡承志譯,《一本就通:宇宙史》,聯經出版公司,2011年08月31日。
2.李傑信著,《天外天─人類和黑暗宇宙的故事》,台灣大學出版中心,2011年08月01日。
3.《摩根費里曼之穿越蟲洞:宇宙創始DVD》,采昌國際多媒體,2011年06月23日。
4.Dan Falk著、嚴麗娟譯,《探索時間之謎:宇宙最奇妙的維度》,貓頭鷹出版社,2010年12月03日。
5.高柳雄一監修、黃薇嬪譯,《一看就懂!宇宙的奧秘》,台灣東販,2010年11月22日。
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