在笑30——有趣的事儿,搞笑的段子,有意思的东西

看见宇宙的太虚之境


看见宇宙的太虚之境

想一窥宇宙最古老的光子所留下的迹象,只要打开古董电视机就行了。转换频道时电视萤幕上颤动不已的微小杂讯,正是138亿年前大霹雳后不久所释出的光子持续不断轰击电视天线的结果。这些平均温度2.7K(约-270℃)的光子,均匀在空间中各个方向穿梭,称做宇宙微波背景辐射(CMB)。由于这些光子如此古老,因此著名的CMB二维分布图常被视为宇宙的「婴儿图像」,是今日一探太初宇宙环境最好的窗口。

不过,宇宙的婴儿图像有一些不完美的地方,物理学家把这些无法以标准宇宙学模型解释的瑕疵称做「异常」。2004年,宇宙学家在美国航太总署(NASA)威金森微波异向性探测器(WMAP)的CMB分布图中首次发现的「冷点」(cold spot),是其中最明显的异常;该区域在天空中跨幅是满月的20倍,太初光子的温度也异常的低。对某些宇宙学家而言,冷点不完全是宇宙婴儿图像上的瑕疵,倒像是破坏CMB宏伟对称性的丑陋胎记;但也有其他宇宙学家认为它凸显了宇宙的某些特性,更加令人振奋。而我就属于后者,对CMB这个异常无比着迷,总在猜测其成因。

看见宇宙的太虚之境

这神秘的谜引起学界诸多讨论。其中一个解释是冷点的形成纯属随机,并无任何特殊原因,但发生这种情况的机率大约只有1/200。其他可能的成因则包罗万象,从一般常见的仪器分析问题到天马行空的揣想,冷点也可能是通往另一个宇宙或隐藏维度的入口。

2007年,我与一些天文学家从已知的宇宙性质发想,提出「超级空洞」(supervoid)概念:那是一大片几乎没有物质与星系存在的辽阔空间。如果冷点所在的空间是一个超级空洞,就可能解释CMB的这个异常。这个巨大空洞的周遭是物质相对致密的区域,成为太空中物质最稀疏的荒漠。这想法也暗示,如果超级空洞存在、并以我们设想的方式形成冷点,便可支持暗能量是引发宇宙加速膨胀的主因。近来,我与美国夏威夷大学的同事已确认超级空洞存在,并从一些有趣的线索推测它可能解释冷点的存在。

穿过空洞、翻越山岭

藉由仔细思索光子与小型空洞交互作用的模式,天文学家认为超级空洞可能存在,并导致冷点的形成。虽然超级空洞是极端状况,但大小中等、包含少量星系的一般空洞却屡见不鲜;再者,与空洞恰成对比的星系团(由上千个星系所组成),在宇宙中也非常普遍。宇宙学家认为空洞与星系团皆源自非常早期的宇宙,那时物质受到随机的量子力学效应影响,在某些区域分布较稀疏,在其他区域则较致密。过致密(overdense)区域包含较多质量、重力较强,可以持续吸引更多物质,因此与过稀疏(underdense)区域渐行渐远。前者最终成为星系团,后者则变成空洞。

由于空洞中物质极少,任何穿过空洞的物质,都会呈现出如球翻越山岭的现象(参见56页〈登上孤寂寒冷的能量山岭〉):当粒子进入空洞,远离周遭具有较强重力场的高密度区域时,就如同滚上山坡的球一样慢了下来;一旦离开空洞朝致密区域运动,又像球滚下山坡一样加速。

CMB光子穿越空洞时也遇到类似情况,虽然并不会改变速度(光速恒定不变),但能量会改变,变化程度正比于它们的温度。当光子进入空洞(爬上山坡)时,光子损失一部份的能量,温度会降低;如果宇宙没有加速膨胀,当光子接着抵达空洞的另一头(滚下山坡),便可重新获得失去的能量,温度会与刚进入空洞时相同。

看见宇宙的太虚之境

但是过去20年,天文学家发现宇宙不仅会膨胀,膨胀速率似乎还不断增加。多数宇宙学家把此加速现象归因于「暗能量」,假设一种似乎无所不在的能量场,具有可以抵消重力吸引的负压力。宇宙加速膨胀现象让前述翻越山岭的类比变得稍稍复杂:当CMB光子穿越空洞时,山岭另一侧地势忽然抬升,比刚进入空洞时还高;如此一来,翻过山岭后,就无法恢复原先的能量,导致CMB光子穿越空洞后损失部份能量。因此,我们应该会在CMB分布图上低密度区域的附近,发现温度降低,这个现象称为「累积萨克斯-沃尔夫效应」(integrated Sachs-Wolfe effect, ISW效应)。此效应同样可适用于超星系团的例子,只是光子在穿越较高质量的区域时,会获得一些净能量。

理论上,ISW效应的影响并不明显。即使是大型空洞,温度变化通常也小于CMB大约万分之一的平均起伏(CMB本身的不均匀现象来自太初宇宙释出光子时微小的密度差异)。但我们发现,超级空洞造成的温度差异便足以形成冷点。如果我们能找到超级空洞,证实它就是CMB发生异常的关键原因,那么除了解释冷点,超级空洞还可以做出更多贡献。例如,我们能够提出暗能量存在的确切证据,因为只有当暗能量驱动宇宙加速膨胀,ISW效应才会发生。

此文由 在笑30——有趣的事儿,搞笑的段子,有意思的东西 编辑,未经允许不得转载!:首页 > 科学 » 看见宇宙的太虚之境

()
分享到: