物理新知–宇宙正在加速膨脹?
文﹕阮沛豪

宇宙膨脹的比喻
圖一    星系在膨脹的宇宙中就好比在氣球表面上的紅色標記。當氣球膨脹時,兩個星系遠離對方的速度與它們之間的距離成正比。

宇宙膨脹現在已是不可爭論的事實,一般來說,科學家都認為,由於引力的緣故,膨脹的速度會不斷減慢,但是新的觀測顯示,宇宙膨脹正在加速。

究竟如何測定宇宙膨脹的速度呢?一個方法是測量星系光譜的紅移 (redshift) [1] 以求得它遠離我們的速度,再測量它對應的距離。1929年哈勃 (Edwin P. Hubble) 通過研究24個星系的譜線 (spectral lines),發現這些星系遠離我們的速度是和距離成正比的 (圖一),這個比例便是大家經常聽到的哈勃常數 (Hubble's constant)。哈勃常數越大,代表宇宙的膨脹速度越快。

然而宇宙不是等速膨脹的,所以不同時期的哈勃常數便有所不同。我們不可能回到十億年前,觀測當時星系的後退速度與距離的比例,幸而我們仍可以通過觀測遙遠星系的後退速度與距離的比例,來計算從前宇宙膨脹速度 (比方說,我們今天看到一個十億光年外的星系的光,是十億年前發出的,因此我們看到的其實是該星系十億年前的面貌)。

星系遠離我們的速度可從紅移量得知,但如何求得它們的距離呢?原來哈勃等人假設星系的總光量 (intrinsic brightness) [2] 是大致相同的。那些看來亮一點的離開我們較近,暗的則較遠;不過問題來了,不同種類和大小的星系有不同的總光量,尤其是數十億光年外的星系 (即「遠古」的星系),其總光量和近距離星系的總光量有很大分別,所以要觀測這類星系的後退速度與距離比例有很大的困難。

宇宙膨脹的速度隨時間改變
圖二    宇宙膨脹速度隨時間變化的示意圖。(a) 宇宙的膨脹速度正隨時間減慢,(b) 宇宙正加速膨脹,即以往宇宙膨脹的速度小於現在宇宙膨脹的速度 。

近十年來,科學家對一種名為 Ia 型超新星 (type-Ia supernova) 的研究,令解決這問題露出曙光。Ia 型超新星是這樣形成的:兩顆星互相繞著對方旋轉,其中一顆星 (伴星) 的物質會被慢慢吸引到另一顆即將爆發的星上,當累積的質量超過某個臨界值時,這顆星便會產生超新星爆發。所有 Ia 型超新星爆發時光度都會達到約相同的極大值,由於越遠的東西看起來越暗,所以通過在地球上觀察這類星體爆發,科學家便可以推斷該星體所身處的星系與我們的距離。兩組分別來自澳洲與美國的研究人員,便利用這種變星的特性,來計算遙遠星系的退行速度與距離比例。結果發現,求得的退行速度與距離比例較小。換句話說,以往宇宙膨脹的速度竟小於現在宇宙膨脹的速度 (圖二)。

研究人員曾賞試以不同的理論解釋這一現象,若最終不能提出令人滿意的解釋,科學家最後可能要承認,宇宙真的正在加速膨脹。果真如此,那麼到底是什麼力量令它加速膨脹呢?是否需要重新引入廢棄以久的宇宙常數 (cosmological constant) [3] 呢?

現在這問題還有待討論,而宇宙是否真的加速膨脹,亦有侍更先進的技術,讓科學家們作出更精確的測量,觀察更遙遠的星體加以驗証。

註:
  1. 紅移 (redshift): 離我們遠去的物體所發出的光,其波長會變得較長,由於波長較長的光波偏向紅色,所以這種現象便叫做紅移。
  2. 總光量 (intrinsic brightness): 一個星體每秒釋放出的輻射能量。
  3. 宇宙常數 (cosmological constant): 愛因斯坦使用廣義相對論的埸方程 (field equation) 建構宇宙模型,並發現這個方程的解暗示宇宙的大小正在改變,換句話說,如果宇宙不是正在膨脹,就是正在收縮。愛因斯坦認為宇宙大小應保持不變, 因此在其埸方程中加入一個宇宙常數, 以致方程的解給出一個穩定的宇宙模型。但是哈勃的觀測結果顯示宇宙的確正在膨脹,愛因斯坦因此認為宇宙常數是他一生中最大的錯誤。

參考資料:
  1. 方勵之和李淑嫻,<<宇宙的創生>>
  2. C. J. Hogan, R. P. Kirshmen & N. B.Suntzeff , Surveying Space-time with Supernova, Scientific American, Jananary 1999, p 46-51.
  3. Discovery of a Supernova Explosion. Nature, Vol391, p51-54, Jananary 1 , 1998