科技大補帖
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啟動巡天觀測計畫,
描繪全宇宙3D地圖
2024.10.04

林彥廷/2005 年於伊利諾大學香檳分校取得天文博士學位,2012 年返臺任職於中研院天文所至今,研究專長為星系形成與演化,興趣為古典音樂及近代物理史。

 

✤ 光譜能反映星系性質、成分、形成歷史等資訊,史隆巡天計畫以紅移觀測、分析星系光譜,建構出三維宇宙結構。

✤ 2024 年初暗能量光譜儀計畫獲得 4,000 萬個天體光譜,超過全天文界 20 多年來的累積成果,讓我們對 70 億光年內星系有更全面的了解。

✤ 臺灣預計參加於 2025 年底開始的 LSST 計畫,每三天便能監測整個南半球天區,期待發現新天文現象。

 

2024 年的農曆初三,對多數人來說應該只是個尋常的一天。但在天文觀測史上可說是劃時代的一刻——美國主導的暗能量光譜儀(Dark Energy Spectroscopic Instrument, DESI)計畫,利用在亞利桑那州的梅奧爾四公尺望遠鏡(Mayall Telescope),在一個晚上量到了 20 萬個天體的光譜。

這個數字非常驚人。與 20 多年前相比,由英國和澳洲團隊組成的 2 度視場星系紅移巡天(2 degree Field Galaxy Redshift Survey, 2dFGRS),在 1997~2001 年間花了 272 個晚上,才量到 25 萬個光譜。而與 2dFGRS 同時期的史隆巡天計畫(Sloan Digital Sky Survey),在 2000~2008 年,花了超過八年的時間,才量到 100 萬個星系的光譜(圖一 A)。而 DESI 從 2021 年 5 月開始,在短短兩年九個月的時間中,就獲得 4,000 萬個光譜,遠遠超過先前所有天文計畫得到的光譜數總和(圖一 B)。

 

▲圖一:(A)史隆巡天計畫:史隆巡天計畫(第一到第四代)在 2000~2020 年測得的 400 萬個星系和類星體空間分布圖。(B)DESI:DESI 正式運轉後七個月內得到的 750 萬個天體分布圖。圖片來源/David J. Schlegel ,Berkeley Lab using data from DESI

 

DESI 建構宇宙三維地圖,了解宇宙膨脹歷史

究竟 DESI 如何完成這項驚人的創舉?DESI 是由美國能源部(United States Department of Energy)所資助的國際計畫,它的主要目標是了解暗能量(dark energy)的性質。什麼是暗能量?目前沒有人知道,但科學家相信這是一個促使宇宙加速膨脹的力量。它就像是早期物理學家所相信的以太(aether),瀰漫在整個宇宙,而它所施加的負壓力,超越宇宙中所有物質能施展的重力。若宇宙以這樣的狀態持續加速膨脹,在遙遠的未來,所有的星系都將因為空間膨脹而被拉到可見的宇宙之外。在那個時候,銀河中的智慧生命就會認為宇宙中只有一個星系,與人們 100 多年前的認知沒有差異。

與暗能量相比,我們對「暗物質」(dark matter)有較多了解。暗物質是一種不會發光、不參與電磁作用的物質,占宇宙質能約 25%,是我們平時生活中可接觸,肉眼可見的普通物質總量的五倍(也就是說,普通物質只占 5%,剩下的 70% 就是暗能量)。暗物質可能是在物理標準模型之外的基本粒子,會透過重力和普通物質起反應,移動速度不快。至於其餘的性質,我們幾乎一無所知。天文學家普遍接受的理論是,星系就是在暗物質叢簇的「暗物質暈」(dark matter halo)中形成,若沒有暗物質,行星乃至於生命,都無法產生。

1920 年,美國天文界舉辦了一場辯論,主題是宇宙的大小,以及世界上是否有銀河以外的星系。當時美國哈佛大學(Harvard University)的天文學家沙普利(Harlow Shapley)主張銀河就是整個宇宙,其他當時發現的星系都只是位於銀河邊緣的星雲。另一方面,美國匹茲堡大學(University of Pittsburgh)的天文學家柯蒂斯(Heber Curtis)提出另一種論點,他認為仙女座「大星雲」必定是離我們相當遙遠的一個星系,也就是宇宙中存在其他的星系。由於缺乏決定性證據,這場辯論沒有真正的結論。

但是四年後,哈伯(Edwin Hubble)透過造父變星(Cepheid)的觀測結果,確定仙女座大星系和其他幾個星系的距離,都遠大於當時所知的銀河系大小,支持了柯蒂斯的論點(圖二) 註 1 。在接下來的幾年內,進一步的觀測結果也驗證了哈伯—勒梅特定律(Hubble-Lemaître law)——離我們愈遙遠的星系,遠離我們的速度就愈大,得出宇宙正在膨脹的結論。

 

▲圖二:哈伯對造父變星的觀測結果,證明了仙女座大星系(左圖)是銀河以外的另一個星系,顛覆了世人當時的宇宙觀。右下圖是哈伯記錄到的造父變星(以 VAR! 標註,表明了他當時的興奮心情);右上圖則是哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)拍到的那顆造父變星(以圓圈標註)。圖片來源/NASA, ESA and Z. Levay (STScI); NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

 

不過,宇宙為什麼會膨脹?這個問題至今無解。在 1930~1990 年代之間,觀測天文學的重點便是試圖了解宇宙的膨脹歷史。在 1988 年,以普林斯頓大學(Princeton University)天文學教授岡恩(James Gunn)為首的天文學家提出史隆巡天計畫的構想——打造一個專門用於建構宇宙結構的三維地圖、口徑 2.5 公尺、具有極大視野的望遠鏡(圖三),同時配備廣角數位相機,以及同時能觀測許多天體的光譜儀,得到數千萬星系的影像。簡單來說,就是要幫星系拍照,並量測其中 100 萬個仔細篩選過後的星系光譜。如果能達成這個目標,我們對星系的了解將有革命性的進展,並且能用星系量測宇宙的組成、成長歷史,以及預測宇宙的未來。

 

▲圖三:史隆望遠鏡獨特的設計,讓它擁有前所未有的超廣角視野。圖片來源/Sloan Digital Sky Survey

 

星系的 DNA——以光譜建立標準宇宙學模型

什麼是光譜?為什麼需要光譜才能建構宇宙的三維圖像?雖然我們能準確地量得一個天體在天球上的經緯度,但要知道它在第三維度的位置,也就是離地球的遠近,就相當不容易。最準確的方式是透過標準燭光計算,例如造父變星或 Ia 型超新星(type Ia supernova)等。若一個星系中有這樣的天體,比較觀測到的亮度跟真正的光度,我們便能知道到這個星系的距離。不過造父變星只能讓我們觀測鄰近的星系,而 Ia 型超新星非常稀有,通常每個星系大約一、兩世紀才會發生一次。

因此我們只能退而求其次,改為測量星系的紅移(redshift)。多數星系擁有上千億顆星、大量氣體和塵埃,一個星系的光譜,便是群星所發出的光在不同波長的分布。透過已知譜線(例如由氫、氧或碳原子發出的譜線)比較觀測到的譜線波長,以及實驗室中量到的真正波長,我們便能測量該星系的紅移。若是光譜的品質高,還能得到星系中星族的整體性質,例如化學成分、恆星形成歷史等。光譜可說是星系 DNA——透過它,我們能深度剖析星系的內在。

回到史隆巡天計畫,該計畫在前十年其實十分坎坷。即便團隊中許多人是當代最傑出的天文學家,但一開始卻因為不斷低估計畫經費而總是花費短缺,還經歷望遠鏡的鏡片因人為疏忽而被毀壞的糟糕局面。還好團隊堅持到底,2008 年終於獲得岡恩夢想中近百萬個星系的三維地圖(圖四)。結合史隆及其他的觀測結果,天文學家得到一個宇宙學的標準模型,不但成功解釋宇宙微波背景輻射的觀測,預測出的宇宙大尺度結構也跟觀測極其吻合。也許讀者會問,既然我們已知的物質只占宇宙質能的 5%,那觀測星系為什麼能理解其餘 95%?我們可以想像,暗物質形成宇宙結構的骨架,若是能挑出可忠實反映這骨架的星系來觀測,就相當於能觀測到不發光的暗物質。而暗能量的效應,主要在減緩宇宙結構(基本上是暗物質暈)的形成速率。透過夠深遠的觀測,若我們取得不同時期暗物質的分布,便能知道暗能量的影響、推斷暗能量的性質(圖五)。

 

▲圖四:史隆觀測到的百萬個星系,可清楚看見星系以網狀結構分布在宇宙之中。圖片來源/Sloan Digital Sky Survey

 

▲圖五:宇宙學家模擬暗物質在大尺度上的分布。星系和暗物質都呈網狀般的結構,我們可以想像暗物質作為骨幹,而星系就是點綴在上面的寶石。與史隆觀測到的百萬個星系分布相比,可以發現許多相似之處。圖片來源/HiPACC

 

DESI 目前約完成七、八成,並於 2024 年 4 月初發表了宇宙測量的初步結果,發現有微弱證據顯示,暗能量可能跟大多數宇宙學家相信的宇宙常數(cosmological constant)有點不同 註 2 。若照此步調持續發展,最終將能得到約 5,000 萬個天體的紅移。利用這些資料,我們將對距地球 70 億光年內星系的性質有更全面的了解,並量得過去 90 億年宇宙膨脹的歷史,以及宇宙結構的成長史。不僅能夠驗證目前的宇宙學標準模型,更可能量到微中子的質量,這將會是地球上實驗室近期來所無法達成的挑戰。試想這是一件多麼神奇的事⸺短短幾年後,我們將能準確知道離我們 70 億光年內絕大多數星系的紅移或位置,可說是完成了針對遙遠星系的人口普查和戶政調查。知道每個星系所處的環境是擁擠的星系團(圖六),或是像銀河系一樣的稀疏區域,也能探討該星系的性質,例如顏色、形狀、大小等,究竟受到它所處環境的影響有多深。史隆讓我們對 15 億光年內的星系都能進行類似的研究,再加上 DESI 的資料,最終便能更深入了解星系在幾十億年間的演化。

 

▲圖六:歐幾里得太空望遠鏡(Euclid)拍攝的英仙座星系團。該衛星解析度雖然只有哈伯太空望遠鏡的一半,但是視野遠超過哈伯太空望遠鏡,因而能極有效率地觀測廣大的天區。沒有了大氣的干擾,天文學家得以量出星系的形狀、細部的結構,例如漩臂或潮汐力產生的扭曲。圖片來源/European Space Agency

 

其他大型巡天計畫的興起

史隆可說是近代各類巡天計畫的先驅。受到它的激勵,許多團隊也紛紛開始大型觀測計畫。例如以美國費米實驗室(Fermi National Accelerator Laboratory)為首的「Dark Energy Survey」計畫,經六年來的觀測已獲得豐碩的結果;歐洲主導的 4MOST 和 WEAVE 計畫也即將展開,預計取得數百萬筆光譜資料。

另外,臺灣也參與了由日本主導的昴星團望遠鏡(Subaru Telescope)「菫」(SuMIRe)巡天計畫,使用超廣角相機(hyper suprime-cam, HSC),在 2014~2021 年間的 330 個夜晚中,觀測了 1,100 平方度(square degree)的天區(天球面積的 3%),影像資料深度是史隆的 100 倍。接下來在 2025 年開始運轉主焦點光譜儀(Prime Focus Spectrograph, PFS),將獲得 400 萬個天體的光譜。雖然紅移數量少了許多,不過由於昴星團望遠鏡是個口徑八公尺且位於夏威夷毛納基(Mauna Kea)峰頂的望遠鏡,觀測品質遠勝於 DESI 所用的梅奧爾望遠鏡,將看到更遙遠的宇宙。

2023 年發射的歐幾里得太空望遠鏡(Euclid)預計量測 3,500 萬個紅移,以及將在 2027 年升空的楠西羅曼(NancyGrace Roman)太空望遠鏡,也都會以了解暗物質及暗能量作為主要目標進行大規模的巡天觀測。最後,臺灣也會參與薇拉.魯賓天文臺(Vera C. Rubin Observatory)在明年底將啟動的全新巡天模式「Legacy Survey of Space and Time」(LSST)計畫,其使用大口徑及大視野的望遠鏡,每三天就可觀測整個南半球天區,獲得多波段的影像資料(圖七),預期十年間會發現全新形態的恆星爆炸、銀河系中恆星的運動方式、太陽系內的黯淡小天體、其他星系中心超巨大黑洞的活動,甚至是前所未知的新天文現象等。隨時間累積,南半球天區將取得比 HSC 深兩倍的高品質影像。如同製作一部長達十年的深太空電影,為年輕一代研究者提供超高品質的資料。

 

圖七:上圖為薇拉.魯賓天文臺,天文學家將用其中裝置口徑 8.4 公尺的超廣角望遠鏡進行 LSST 巡天計畫;下圖是 LSST 使用的相機,是世界上最高像素的數位相機(3.2Gpix)。圖片來源/Vera C. Rubin Observatory; NOIRLab

 

 註 1 造父變星是一種可以作為標準燭光,讓我們能能準確知道真正光度的星體。

 註 2 宇宙常數是愛因斯坦(Albert Einstein)為了讓廣義相對論預測的宇宙模型與他所相信的靜態宇宙相符,而導入重力場方程式的一個能量場,但在哈伯發現宇宙正在膨脹之後,愛因斯坦認知到沒有宇宙常數存在的必要,還說此多此一舉,是他一生中最大的錯誤。

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2024 年 5 月