2013年4月30日 星期二

DDS008-「宇宙微波背景」輻射圖

繼今年 3 14 日,歐洲核子研究組織(CERN)正式宣告尋獲並證實了奚氏玻子(Higgs boson)的存在後〔見前文「DDS003-2013 年的 Pi Day」〕,僅隔一周(3 21 日),歐洲太空組織(European Space Agency (ESA)),發佈一自人類探測太空有史以來,圖像最為詳盡清的「宇宙微波背景(cosmic microwave background)」輻射圖(參見下圖;credit: ESA and the Planck Collaboration)。此圖是由裝設在該太空組織,耗資 9 億美金,於 2009 5 月間發射的「卜朗克衛星(Planck satellite)」上的「卜朗克太空望遠鏡(Planck space telescope)」,歷經 15 個月,拍攝所得。


該圖詳盡的描繪了,宇宙在「大爆炸(Big Bang)」後的 38 萬年,溫度已趨降至約攝氏 2700 度,當「質子」和「電子」結合成「氫原子」時,所釋放出來的輻射電磁波〔註:請參閱前二文之有關介紹〕。該圖基本上顯示的是,當時整個宇宙在溫度分佈上的些微差異,而此溫度的些微差異,反應了整個宇宙其質量或密度分佈的不同。從色澤上來看,圖中藍色代表溫度低於背景的平均溫度(稱為冷點 coldspots),而橘紅色代表溫度高於背景的平均溫度(稱為熱點 hotspots),顏色的濃淡深淺,則分別代表其密度或質量的大小,也就是說,顏色深者意味著密度高、質量大,而顏色淡者其密度低、質量小。

此釋放出來的電磁輻射波,其波長約為 1 毫米(1 mm),溫度只有絕對溫度 3 度左右,主要是因為,宇宙自「大爆炸」後迄今,一直在持續不斷的膨脹,因而把「光子」傳遞時的波長愈拉愈長,也使得此微波(microwave)的溫度變得愈來愈低。針對此極低溫的「微波」,現今赫赫有名的霍金博士(Stephen Hawking)曾戲言比喻說:「雖然這微波和我們日常家用微波爐的微波相同,但是你想拿它來解凍食物是絕不可能的(因為只能熱到攝氏零下 271.3 度)!」。這也是為什麼,此次「歐洲太空組織」發佈此「宇宙微波背景」輻射圖,引起全世界科學界的注目和驚嘆的原因,想想在這麼低溫下(絕對溫度 3 度內),還要能精準的偵測到如此些微的溫度變化,是何其不易之事。以此圖幅而言,其解析度可達絕對溫度 0.1 度,而儀器量測的靈敏度更可達百萬分之一度。另外,值得一提的是,藉由此「宇宙微波背景」輻射,所得數據的相關研究,也使得 Arno Penzias Robert WilsonGeorge Smoot John Mather Saul Perlmutter Brian Schmidt Adam Riess 這幾位科學家,分別獲頒了197820062011年的諾貝爾物理學獎。

話說從頭,早在 1965 年時, Arno Penzias Bob Wilson 兩人無意間發現,天空中有著來自四面八方的「微波輻射(microwave radiation)」,其溫度僅在絕對溫度 3 度上下,且極為一致。〔註:事實上,這種「微波輻射」,就是我們日常開電視或電腦螢幕時,常見的那種一閃一閃的黑白線條。〕但是,假如溫度(在此代表質量或密度)真是如此均一(uniform)的話,問題就來了,因為依照「大爆炸」理論,宇宙從38 萬年後開始,各種物質開始逐漸聚結,最終形成了今天我們習見的各類星體和銀河系,其時宇宙的溫度、質量、密度分佈應呈現一不均衡的狀態。換句話說,假若 Arno Penzias Bob Wilson 兩人,對「宇宙微波輻射」之觀察是對的,則表示「大爆炸」理論可能有誤。但另一種可能是,當時的量測技術和儀器,還不夠精準到,可以辨識,在那極低溫下的細微變化。

為了釐清以上困擾,接下來半個世紀、五十年間,科學家們卯足全勁,依序發射了具不同解析度的三種探測衛星〔即1989 年的 COBECOsmic Background Explorer 衛星、2001 年的 WMAP Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)衛星以及這次 2009 年的 Planck 衛星〕,下圖(credit: NASA / JPL-Caltech / ESA)就此三種不同的探測衛星,其所測繪的「宇宙微波背景」輻射圖,做一比較,其中以Planck 所測繪的圖像最為清晰,辯識率可高達一萬分之一度。也就是說,宇宙自「大爆炸」發生後 38 萬年時,其質量、密度、溫度的分佈確是非均勻的,這種結果也證實了「大爆炸」理論中,有關宇宙的起源的說法是正確的。


不僅如此,科學家們進一步分析此 Planck 「宇宙微波背景」輻射圖時,也同時獲致了以下三項重大的科學成果:

(一)就組成宇宙的三大主要成份〔一般物質(normal matter)、暗物質(dark matter)和暗能量(dark energy)〕的比例而言,此最新的Planck 「宇宙微波背景」輻射圖顯示(和過去科學家所估算的結果相比),宇宙含有較少的「暗能量」(68.3 % vs. 71.4%),較多的「暗物質」(26.8% vs. 24%)以及較多的「一般物質」(4.9% vs. 4.6%
 
(二)由於此肩負推動(push)宇宙膨脹的「暗能量」的減少,宇宙膨脹的速率也因而也下修了約 3% (即速率較以往的估算慢了約 3%)。

(三)此新的「宇宙微波背景」輻射圖,也間接證實了,宇宙並非「曲形(curved shape)」〔註:如球形或馬鞍狀〕,而是「平的(flat)」。

             有關以上三項結論,我當在往後的部落格文中,再為大家整理介紹。

5 則留言:

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    1. 在"大爆炸理論一"中有說明:38萬年之後,宇宙變得透明。
      問題變成:182億年來,宇宙背景基本沒變?

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    2. Yes and no. For this microwave background radiation, the relative distribution has not changed, but the wavelength has been stretched out further through time and space during this 13.82 billion years.

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  2. You ask a good question. Truth be told, I am not an expert on it and I should not pretend to be. To my understanding, it is pretty much derived from the physiochemical property of "matters (including particles)" at this particular temperature and the time frame set up by the "Big Bang" theory.
    Universe is evolving. The question is more like to ask why dinosaur appeared in Cretaceous at about 65 million years ago.
    Again, I appreciate your interesting in my blogger articles and the kind words in separate letter.

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  3. 作者已經移除這則留言。

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