哇喔!天文觀測證實我們對宇宙還認識不全

哈伯常數最新獨立測量證實，我們的宇宙模型可能需要小小修正。

哈伯常數，是貫穿整個宇宙學研究領域的基本數值，可以用來說明宇宙膨脹得多快、估算宇宙年齡、宇宙的體積大小、宇宙裡有多少暗物質。

這張照片居中的HE0435-1223，素以「得到很漂亮的重力透鏡效果」聞名。圖像顯示的是HE0435-1223和它周圍的4個「分身」影像──因為碰上了宇宙中的透鏡而產生「分身」。

扮演「宇宙透鏡」的星系質量很大，重力很強。既然名為透鏡，它和眼鏡店裡的那些鏡片確實有點類似，「宇宙透鏡」把位在其正後方的HE0435-1223這個類星體所發出光線路徑改變。哈伯望遠鏡團隊2013年製作一支"遙望宇宙邊陲"影片介紹過重力透鏡的成因，以及這個天文物理現象在人類認識宇宙的進展中，怎麼成為一個用途漸廣的工具。

順便一提，HE0435-1223是這4個「分身」的「本尊」，中間的宇宙透鏡星系不是本尊，是質量特別大的星系，負責提供透鏡效果，前者稱為背景星系，後者稱為前景星系，較遠的在背後，較近的在前。但是，因為角度的關係，圖中這個角度說不清楚孰為前景或背景。總之，就是這樣的「透鏡系統」，最近成為測量宇宙膨脹的最新工具。Credit: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

H0LiCOW測量哪些東西?

重力透鏡現象是在宇宙中，三點排成一直線的偶然結果，首先，三點的其中一個是地球。位於地球和最遠那一點的中間者，通常是質量比較大的天體（譬如星系），也稱為「前景」星系；三點中最遠的，則稱為「背景」星系，它本身是極為明亮的天體，所發出的光，在經過前景大質量星系周圍時，大質量星系的重力場會讓經過它的光就像穿過一片玻璃透鏡一樣，光的路徑也會發生改變。這個過程有時還能把遠端明亮天體的影像複製出好幾個分身影像。H0LiCOW這項計畫（註1），廣泛使用許多知名的地面型及太空望遠鏡（註2）觀測到的透鏡星系圖像，用在哈伯常數的測量上。

究竟此團隊掌握什麼獨家技巧能做這樣的測量呢? 原來，他們的想法是這樣，重力透鏡影像之產生，其實都存在著一些參數：「前景透鏡星系在形狀上的差異」、「遠端背景光源位置並不總是剛好對齊在正中央」等，因這些參數不同，遠端光線從一開始出發到抵達，途中走的路徑都不一樣，結果各自抵達地球也就有了時間差。另外，關於重力透鏡系統中有哪些參數會影響時間差，舊版「天聞網」中曾有影片介紹，參考：哪些因素「操縱」透鏡系統? 一文)

至於遠端光源，因為遙遠類星體會閃爍，天文學家經年累月觀測其規律閃爍特性，發現在每個受到透鏡作用的「分身」影像上，都一樣可以辨認到閃爍，於是，這就可以用於確認每個分身影像抵達地球的時間差是多少，更重要的是，閃爍的時間差，直接和「哈伯常數」相關。

遙遠類星體光度會變化，讓它們有閃爍效果。大質量星系的重力場提供類似透鏡一樣的作用，讓類星體發出來的光產生變形， 造成多重影像的類星體出現在前景星系周圍。 因為類星體發出的光會隨著時間而變化，所以在每一個quasar影像上都會看到相同的閃爍效果，但是會在不同的時間點上看到。為什麼會在不同的時間點產生呢？因為這四個影像的光路徑不同，所以產生不同的時間點。 閃爍情形實際在地球看到時，大約差好幾天。這就可以用來測量哈伯描述了宇宙膨脹速率的哈伯常數了。在這支動畫影片中，一共閃爍了四次，是以正確的間隔比例「快轉」，實際的間隔時間則從幾天到兩星期都有。Credit: ESA/Hubble, NASA

哈伯常數是多少？

H0的單位是公里/秒/每百萬秒差距，百萬秒差距是一種天文學所使用的距離尺度，1百萬秒差距等於326萬光年。H0的公式看起來很簡單，即H0=速度/距離，此速度是星系在直線上的遠離速度，因為宇宙在膨脹，所以遠方天體都在向後退。所以，用星系的運動速率除以星系和我們之間的距離，可以測量宇宙膨脹率。

瑞士 EPFL 研究員 Frédéric Courbin 在團隊共同發布新聞稿中表示，H0LiCOW團隊的這種方法，在目前用來測量哈伯常數的一些方法中，是最簡單又最直接的一種，因為只用到幾何學和廣義相對論，不需要用到其他假設。值得一提的是，這個結果的精確率達到3.8%。蘇游瑄團隊相信未來的巡天觀測計畫將持續找到成百上千的更多重力透鏡類星體，重力透鏡時間差用於測量哈伯常數的這個方法非常有競爭力，得到的哈伯常數可望達到1%的準確度。

測量哈伯常數有什麼重要?

測量哈伯常數以及掌握此數值所代表的意義，在研究宇宙如何創生和演化的無論計算或模型上，都是不可或缺的基本要素。H0LiCOW合作計畫大部分研究，是蘇游瑄在臺灣中央研究院天文所擔任助研究員期間完成，她目前轉到德國馬克思普朗克天文物理研究中心工作，對於測量哈伯常數到底有什麼重要，蘇游瑄說：「哈伯常數對現代天文學至關重要，因為它能協助我們去證實或反駁『宇宙是由暗能量、暗物質和普通物質組成』──這樣的宇宙認知，到底是否正確，或者是我們還少了某些關鍵。」她還指出，哈伯常數對最新的天文研究領域非常關鍵，因為它可以幫我們檢視，現在我們所認知的宇宙，到底是對還是不對，究竟宇宙是不是由暗能量暗物質和普通物質所組成的？還是，有什麼我們仍不知道的？

測量哈伯常數很難嗎?

精確測量哈伯常數相當困難。推估運動速率是很直接，不會模稜兩可，但是，距離多少，這在天文學裡相當難算，只能用我們稱之為「標準燭光」的東西來測量，這類天體具有非常精確而已知的亮度，只要測量某天體的亮度，拿它來和預估值做個比較，從「比較暗多少」的差異，就可以相當精確地推算出距離。在過去幾十年計算哈伯常數的歷史中，所用到的標準燭光是「造父變星」和 「Ia 型超新星」，後者特別指在雙星系統裡所發生的「超新星爆發」。

獨立測量哈伯常數有何特殊含義?

科學界賦予獨立測量一種獨特的地位。一個數值越能夠以多種測量方式取得，其精確度和正確性就可能越高。由H0LiCOW團隊獨立測量得出的哈伯常數測量值，和2016年哈伯太空望遠鏡在鄰近宇宙所得到的測量值非常一致（註3）。這是值得強調的事實。

哈伯常數有三種，既有一致，也有不同，誰對了？

哈伯常數到底是多少，不是該拍板定案了? 除非哪裡有問題? 沒錯，問題來了，測量鄰近宇宙和測量大霹靂後所殘留的宇宙微波背景輻射（古早宇宙）的結果，不一致。哈伯望遠鏡和H0LiCOW團隊從鄰近宇宙得到的數值接近，但是與目前的宇宙標準模型不合，而普朗克衛星測得的宇宙微波背景輻射得到的哈伯常數值和宇宙標準模型很速配，但是卻和哈伯望遠鏡和H0LiCOW所得數值略差一截。

為什麼這些數值差這麼多，尤其他們的精確度卻又都是如此之高（參考註3）？答案有可能是，其實我們根本不完全懂這個宇宙。這項差異有可能引領宇宙學進入一個前人未知的探索領域，是我們現有的宇宙觀和宇宙模型還未納入的新物理。

  1. H0LiCOW全名是H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring。

  2. 該研究使用到的望遠鏡包括有：哈伯太空望遠鏡（NASA/ESA）、凱克望遠鏡、甚大望遠鏡 (ESO)、Subaru 望遠鏡、Gemini 望遠鏡、臺灣團隊參與儀器研發的「加法夏望遠鏡」(Canada-France-Hawaii telescope)、 NASA 的史匹哲太空望遠鏡。研究還使用到 Swiss 1.2-metre Leonhard Euler Telescope 和 MPG/ESO 2.2-metre telescope 等望遠鏡所提供資料。

  3. 根據歐洲太空總署和哈伯太空望遠鏡2017年1月26日發布的新聞稿: H0LiCOW 團隊得到的哈伯常數值是71.9±2.7公里/秒/百萬秒差距，即「每增加百萬秒差距的距離，膨脹秒速增加71.9公里誤差2.7公里」。另一科學團隊於2016年以哈伯太空望遠鏡測得之值是73.24±1.74秒/公里/百萬秒差距。歐洲太空總署普朗克衛星於2015年測量的哈伯常數是66.93±0.62秒/公里/百萬秒差距，仍是目前最精確的哈伯常數值。 其精確度高低，看±後面的數字可以知道，普朗克的誤差值是0.62公里，換言之，它如果是對的，其他測量法得到的結果應該在66.31~67.55公里/秒/百萬秒差距這個範圍之間，但其他測量方法得到的結果卻並不在這個區間，這顯示重大研究結果之間出現不一致。