看見宇宙太虛之境

Post date: Jan 17, 2017 2:46:04 PM

天文學家為了解釋宇宙微波背景輻射（CMB）中令人費解的冷點，竟然發掘出一個更詭異的現象：幾乎空無一物的超級空洞。

文／沙普迪（Istvan Szapudi）；翻譯／李沃龍

想一窺宇宙最古老的光子所留下的跡象，只要打開古董電視機就行了。轉換頻道時電視螢幕上顫動不已的微小雜訊，正是138億年前大霹靂後不久所釋出的光子持續不斷轟擊電視天線的結果。這些平均溫度2.7K（約-270℃）的光子，均勻在空間中各個方向穿梭，稱做宇宙微波背景輻射（CMB）。由於這些光子如此古老，因此著名的CMB二維分佈圖常被視為宇宙的「嬰兒圖像」，是今日一探太初宇宙環境最好的窗口。

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不過，宇宙的嬰兒圖像有一些不完美的地方，物理學家把這些無法以標準宇宙學模型解釋的瑕疵稱做「異常」。2004年，宇宙學家在美國航太總署（NASA）威金森微波異向性探測器（WMAP）的CMB分佈圖中首次發現的「冷點」（cold spot），是其中最明顯的異常；該區域在天空中跨幅是滿月的20倍，太初光子的溫度也異常的低。對某些宇宙學家而言，冷點不完全是宇宙嬰兒圖像上的瑕疵，倒像是破壞CMB宏偉對稱性的醜陋胎記；但也有其他宇宙學家認為它凸顯了宇宙的某些特性，更加令人振奮。而我就屬於後者，對CMB這個異常無比著迷，總在猜測其成因。

這神秘的謎引起學界諸多討論。其中一個解釋是冷點的形成純屬隨機，並無任何特殊原因，但發生這種情況的機率大約只有1/200。其他可能的成因則包羅萬象，從一般常見的儀器分析問題到天馬行空的揣想，冷點也可能是通往另一個宇宙或隱藏維度的入口。

2007年，我與一些天文學家從已知的宇宙性質發想，提出「超級空洞」（supervoid）概念：那是一大片幾乎沒有物質與星系存在的遼闊空間。如果冷點所在的空間是一個超級空洞，就可能解釋CMB的這個異常。這個巨大空洞的周遭是物質相對緻密的區域，成為太空中物質最稀疏的荒漠。這想法也暗示，如果超級空洞存在、並以我們設想的方式形成冷點，便可支持暗能量是引發宇宙加速膨脹的主因。近來，我與美國夏威夷大學的同事已確認超級空洞存在，並從一些有趣的線索推測它可能解釋冷點的存在。

穿過空洞、翻越山嶺

藉由仔細思索光子與小型空洞交互作用的模式，天文學家認為超級空洞可能存在，並導致冷點的形成。雖然超級空洞是極端狀況，但大小中等、包含少量星系的一般空洞卻屢見不鮮；再者，與空洞恰成對比的星系團（由上千個星系所組成），在宇宙中也非常普遍。宇宙學家認為空洞與星系團皆源自非常早期的宇宙，那時物質受到隨機的量子力學效應影響，在某些區域分佈較稀疏，在其他區域則較緻密。過緻密（overdense）區域包含較多質量、重力較強，可以持續吸引更多物質，因此與過稀疏（underdense）區域漸行漸遠。前者最終成為星系團，後者則變成空洞。

由於空洞中物質極少，任何穿過空洞的物質，都會呈現出如球翻越山嶺的現象（參見56頁〈登上孤寂寒冷的能量山嶺〉）：當粒子進入空洞，遠離周遭具有較強重力場的高密度區域時，就如同滾上山坡的球一樣慢了下來；一旦離開空洞朝緻密區域運動，又像球滾下山坡一樣加速。

CMB光子穿越空洞時也遇到類似情況，雖然並不會改變速度（光速恆定不變），但能量會改變，變化程度正比於它們的溫度。當光子進入空洞（爬上山坡）時，光子損失一部份的能量，溫度會降低；如果宇宙沒有加速膨脹，當光子接著抵達空洞的另一頭（滾下山坡），便可重新獲得失去的能量，溫度會與剛進入空洞時相同。

但是過去20年，天文學家發現宇宙不僅會膨脹，膨脹速率似乎還不斷增加。多數宇宙學家把此加速現象歸因於「暗能量」，假設一種似乎無所不在的能量場，具有可以抵消重力吸引的負壓力。宇宙加速膨脹現象讓前述翻越山嶺的類比變得稍稍複雜：當CMB光子穿越空洞時，山嶺另一側地勢忽然抬昇，比剛進入空洞時還高；如此一來，翻過山嶺後，就無法恢復原先的能量，導致CMB光子穿越空洞後損失部份能量。因此，我們應該會在CMB分佈圖上低密度區域的附近，發現溫度降低，這個現象稱為「累積薩克斯－沃爾夫效應」（integrated Sachs-Wolfe effect, ISW效應）。此效應同樣可適用於超星系團的例子，只是光子在穿越較高質量的區域時，會獲得一些淨能量。

理論上，ISW效應的影響並不明顯。即使是大型空洞，溫度變化通常也小於CMB大約萬分之一的平均起伏（CMB本身的不均勻現象來自太初宇宙釋出光子時微小的密度差異）。但我們發現，超級空洞造成的溫度差異便足以形成冷點。如果我們能找到超級空洞，證實它就是CMB發生異常的關鍵原因，那麼除了解釋冷點，超級空洞還可以做出更多貢獻。例如，我們能夠提出暗能量存在的確切證據，因為只有當暗能量驅動宇宙加速膨脹，ISW效應才會發生。

出處／科學人2017年第179期01月號