揭開宇宙膨脹的背後推手「暗能量」的神祕面貌——專訪國立臺灣大學天文物理研究所助理教授藍鼎文
2024 年四月初，大型國際天文觀測計畫 DESI（Dark Energy S...
宇宙結構主要由正常物質、暗能量、暗物質組成。（圖片來源／科技大觀園授權轉載，下同）
2024 年四月初，大型國際天文觀測計畫 DESI（Dark Energy Spectroscopic Instrument，暗能量光譜儀計畫）發表了最新成果，為解開謎團滿滿的「暗能量」帶來全新線索，可能會改寫過去二十年來學界對暗能量的認識，也將宇宙指向更有盼望的未來！
讓星星彼此遠離、決定宇宙命運的「幕後黑手」
「暗能量（dark energy）是驅使宇宙演化非常重要的元素之一，但是我們不知道暗能量到底是什麼，它的性質為何、它會不會隨著時間演化。這件事情讓人既困擾又興奮！」
國立臺灣大學天文物理研究所助理教授藍鼎文如此說道。他同時也是 DESI 研究計畫的一分子。
有關暗能量的發現，可追溯到約一世紀以前 ，美國天文學家哈伯（那座舉世聞名的望遠鏡便是以他為名）發現遙遠的星系正離地球遠去，而且越遠的星系離得越快，說明宇宙不是穩定的，而是在不停膨脹中。1998 年，兩個天文團隊不約而同發現，目前約 137 億歲的宇宙不單只是在膨脹，還從 50 億年前開始逐漸加速膨脹，讓學者跌破眼鏡。因為此前學者們都認為，宇宙中物質本身的引力，會把膨脹中的宇宙拉回來，讓膨脹率隨時間減緩。
既然宇宙在有引力效應的影響下，仍在加速膨脹，那宇宙勢必充溢著某一種將天體與天體相互推開的能量——天文學家稱之為暗能量。根據推算，暗能量佔了宇宙整體能量將近 70%。
目前學界最想解答的問題是：暗能量，到底會不會隨著時間演化？
這個問題非常重要，因為它關乎宇宙的終極命運。如果暗能量是恆定不變的常數，那麼不停加速膨脹的宇宙，終將使所有天體星系被遠遠拉開。有假說甚至推測，最後宇宙會被暗能量影響，直至原子都被撕裂、萬物走向分崩離析 [1]。但如果暗能量不是常數，而是會隨著時間演化，那宇宙的膨脹也就存在變數，結局將會被大大改寫。
看不見也摸不到的暗能量，該怎麼觀測？
不過，暗能量既看不見也摸不到，那該如何測量？天文學家想出了「旁敲側擊」的方法，不是正面觀測暗能量，而是從探究暗能量造成的影響，即宇宙的膨脹速率下手。只要透過天文觀測，測量宇宙在各時期的膨脹速率，便可以瞭解暗能量的性質。
但我們無法回到過去，要怎麼知道不同時期的宇宙長什麼樣子？別忘了光的特性，越遠的光，需要經歷更長時間才能抵達地球。因此當我們用望遠鏡探向更遙遠的星系時，所觀測到的會是遠古時期的光，就像是打開了宇宙不同階段的「畢業紀念冊」，可以一探古老宇宙的模樣。
解決了時間的問題，接下來要處理的，便是測量我們與天體之間的距離了。有了距離的測量值，天文學家便能回推出宇宙的膨脹速率。藍鼎文教授介紹了現有兩種的量測方式，第一種稱為「標準燭光（standard candles）」。
藍鼎文教授解釋，標準燭光的概念如同夜晚走在路上看某一盞路燈，我們越靠近的時候，路燈看起來越亮；逐漸遠離的時候，路燈看起來會越暗。這代表路燈看起來的亮度，與路燈和我們之間的距離有關。同理可得，只要知道某一種天體具備的所有能量與相應的發光強度，天文學家便可以根據觀測到的亮度，來計算距離。
第二種方式稱為「標準尺規（standard ruler）」，概念和標準燭光類似，只是並非以發光天體的亮度，而是以天體本身的大小作為參考基準。在暗能量的觀測中，天文學家利用的是一種宇宙初期的產物「重子聲波振盪（Baryon Acoustic Oscillations, BAO）[2]，透過它的實際大小與觀測大小，來推算相隔距離。
建立更精確的宇宙模型，臺灣團隊為數據嚴格把關
執行暗能量研究的 DESI，全名為暗能量光譜儀計畫（Dark Energy Spectroscopic Instrument），有超過 500 位研究人員、約 70 所國際研究機構參與其中。 DESI 計畫運用美國亞利桑那州一座山上直徑四公尺的 Mayall 望遠鏡，打造了由 5,000 個微型機器手臂與先進光纖構成的「眼睛」、當前最強大的光譜儀。在 2021 至 2026 年五年間，這個計畫將觀測約 4,000 萬個天體。
透過每個 DESI 「眼睛」搜集到的天體光譜 [3]，研究團隊可以得知其不同顔色的光強度，描繪出各個星系在宇宙中三維空間的相對位置，並搭配標準尺規 BAO 的訊號，測量宇宙膨脹的速率。這不僅有助於探究暗能量的本質，更能描繪出有史以來最大的宇宙三維圖，建構更精確的宇宙模型。
其中，藍鼎文教授負責統籌一個由數十位科學家組成的團隊，接下檢驗 DESI 星系光譜數據品質是否達標的任務。他們逐一檢視上萬筆計畫初期的光譜數據，並藉此測試 DESI 自動分析演算法的表現。研究團隊以嚴格的標準，確認觀測所得的光譜都有極佳品質，且開發的分析軟體準確率超過 99%，為後續研究打下重要的基礎。
藍鼎文教授分享：「每一個工作和步驟環環相扣，執行的精確程度都會影響到最後暗能量的測量值。」最讓他印象深刻的是，成員們都彼此配合、各司其職，將自己負責的事情做到最好，最後整個計畫才能得出最好的科學成果。
就在今年四月初，DESI 研究計畫捎來好消息：他們首度向世界公開使用超過 600 萬筆光譜數據的分析結果，暗示著暗能量是有可能會隨著時間演化的！雖然這只是初步結果，還需更多數據分析才能更好地驗證，但仍然是相當振奮人心的成果。儘管人的生命在宇宙數十億年漫長的歷史中不過刹那一瞬，但此時此刻各國的學者們，仍孜孜不倦地努力，在揭開壯闊宇宙史詩般演化歷程的旅途前行。
[1] 這一假說是根據「大撕裂（Big Rip）」的宇宙論模型，若暗能量擁有特定性質，超越一切作用力，宇宙將走向連原子都被撕裂的結局，被預估將在100 多億年之後發生，唯目前仍沒有足夠精確的數據能夠確認這一模型（但若大撕裂發生，地球會在 50 億年後，先被氫燃料耗盡、壽終正寢的太陽給吞噬）。
[2] 原初宇宙是炙熱得讓次原子粒子無法形成穩定原子的電漿，這些粒子中包含氫和氦核，被統稱為重子。這種原初電漿中的微小波動形成壓力波，使得重子移動形成波紋，就像石頭擲入水中形成的水波漣漪。隨著宇宙因膨脹而逐漸冷卻到一定程度，不帶電的原子形成、壓力波無法繼續傳遞，這些立體結構「漣漪」於是被凍結，並在重疊之處形成密集的星系。這些數十億年之後仍能被觀測到的「漣漪」，就是「重子聲波振盪（Baryon Acoustic Oscillations, BAO），並成為宇宙中的標準尺規。
[3] 光譜是指複色光經過稜鏡、光柵或其他色散系統分光後，依波長排列形成的光帶，例如彩虹就是太陽光的光譜。DESI 所觀測各類的天體光譜，包含遙遠星系、類星體和銀河系中的恆星。
資料來源
採訪國立臺灣大學天文物理研究所藍鼎文助理教授
科學Online：哈柏定律（Hubble’s law）
從「星」看世界— 加速膨脹的宇宙
5000 Eyes - Mapping the Universe with DESI
A Tantalizing ‘Hint’ That Astronomers Got Dark Energy All Wrong
Baryon Acoustic Oscillations
First Results from DESI Make the Most Precise Measurement of Our Expanding Universe
Tearing Apart the Universe
延伸資源
探索宇宙首部曲 — 臺大和清大天文學家參與 DESI 暗能量光譜儀計畫 首次公開近200萬筆天體光譜數據
本文授權轉載自科技大觀園。
