宇宙學「危機」!

(中央研究院天文及天文物理研究所成果發表，上網時間：2019年10月23日)

以加州大學戴維斯分校 (UC Davis) 為首的一群天文學家獲取得新數據顯示，宇宙的膨脹速率比原本預測更快。

這項研究結果正好發表在一連串關於宇宙膨脹到底有多快的激烈爭論當中，更讓「『宇宙膨脹速率到底是多少』畫上一個巨大的問號」，研究團隊表示。

該結果已發表於英國皇家天文學會月刊，論文第一作者陳之藩，於2013年時是中研院天文所／台大碩士班學生，目前即將由美國加州戴維斯分校博士班畢業。陳之藩表示，在台大攻讀碩班時，前中研院天文所的蘇游瑄教授 (現任職於馬克斯普朗克天文研究院，為慕尼黑工業大學助理教授，同時也是中研院天文所訪問學者) 和台大闕志鴻教授給了他一個很有趣也很有挑戰的題目：利用調適性光學望遠鏡的重力透鏡影像來測量宇宙膨脹的速率，「沒想到我當時一頭栽進去就一直到現在；我們最新研究結果顯示，由時間差的重力透鏡方法量測出的宇宙膨脹速率比理論預期的快，也和諾貝爾物理學獎得主亞當·黎斯利用超新星爆炸量出的宇宙膨脹速率吻合。當兩種完全獨立的方法得到一樣的結果，讓目前許多頂尖的天文和宇宙學家開始相信，這不是測量上的誤差，而是我們對宇宙的認識不足。」

UC Davis團隊對哈伯常數（即宇宙膨脹速率）的新測量，採用的方法與以往不同，是結合NASA的哈伯太空望遠鏡（HST）與凱克天文臺（Keck）的調適性光學系統（AO），去觀測了3個重力透鏡系統，這也是首次使用地面望遠鏡AO技術獲取哈伯常數。

論文共同作者，UC Davis物理系教授Chris Fassnacht說，「我從20多年前就開始研究哈伯常數的問題，當時可用的儀器有限，我們能從觀測中獲得的有用資料數量也不多。在這次研究計畫中，我們使用凱克天文臺的AO第一次做出完整的分析。我一直覺得AO觀測應該對這方面的探討能有很多貢獻。」

該團隊這次採用盲分析來排除任何可能的人為誤差，也就是在分析過程中把答案隱藏起來，團隊成員們也不知道測量到的宇宙膨脹速率是多少，直到確認可能的系統誤差都全部考慮完整，最後答案才在全部成員的同意下揭曉。這樣可以防止他們潛意識裡為了得到所謂的「正確」值而做任何調整、防範可能人為所產生的偏差。

陳之藩說，團隊成員一開始就有一個共識，「當團隊把所有可能出現的系統誤差都完整考慮而揭曉結果時，不管那個數值是多少，我們都必須發表，即使是個很瘋狂的數字。所以在最後答案揭曉的一刻，確實非常緊張刺激。」

結果，解盲所揭露的值，與哈伯望遠鏡利用「鄰近」天體測量的結果一致；這種直接測量宇宙加速膨脹速度的許多種方法，而目前最精確的兩種方法其中之一是透過地球附近的Ia型超新星做的測量，另一種是重力透鏡系統時間差的方法，陳之藩團隊的盲分析中用的是重力透鏡系統得到的數值。

這個團隊的研究結果更進一步對宇宙學標準模型存在問題提供了證據。按照宇宙學標準模型，宇宙在早期膨脹速度非常快，然後由於暗物質的引力，膨脹速度減慢，現在由於暗能量 (一種神秘的能量)，膨脹再次加速。

通常宇宙膨脹歷史的模型是用傳統的哈伯常數來解釋，該哈伯常數的數值是來自於天文學家對宇宙開始時殘留的宇宙微波背景輻射 (CMB) 的「遠距」觀測，但此數值需要假設宇宙學標準模型才能推導出來。（「遠」距的意思是138億年前的宇宙相對於目前的宇宙。）

近年來許多研究團隊開始使用不同的技術並研究宇宙的不同部分來測量哈伯常數，發現所觀測到的「本地」值與觀測到的「遠距」值，不一致。

宇宙學標準模型。 IMAGE CREDIT: BICEP2 COLLABORATION/CERN/NASA

蘇游瑄教授表示，「這是所謂宇宙學的一個危機，哈伯常數在早期和晚期宇宙間的差異意味着在我們目前的標準模型中缺少一些東西，譬如說，可能是奇特的暗能量，或者一種新的相對論粒子，或其他一些尚未被發現的新物理學。」

陳之藩團隊使用凱克II望遠鏡上的第二代(NIRC2)近紅外照相機和該天文臺的AO系統，獲得了3個著名的透鏡效應類星體系統的本地測量資料，也就是：PG1115+ 080、HE0435-1223和RXJ1131-1231等3個系統。

類星體是宇宙中很明亮又遙遠的天體。貪婪吞噬周圍物質的超大質量黑洞提供了類星體強大能量，以光速發出閃爍的噴流。

重力透鏡現象就像自然界裡的放大鏡，天文學家能藉它來偵測類星體。當距離地球較近的某一質量夠大的星系擋住了來自一個非常遙遠的類星體的光線時，這個星系就可以充當透鏡；重力場彎曲了空間本身，使背景類星體的光線彎曲形成多幅圖像，且看起來格外明亮。

由於類星體的亮度不時會閃爍，加上每一幅圖像裡的類星體到望遠鏡的路徑長度都略有不同，所以每幅圖像的閃爍出現的時間也略有不同——並不是一律在同一時間抵達地球。

陳之藩團隊透過HE0435 -1223、PG1115+ 080、RXJ1131-1231這3個系統仔細測量了這些時間延遲，由於這些時間延遲是和哈伯常數的值成反比，所以天文學家藉此可以「解碼」來自這些遙遠類星體的光，並收集有關光在行進過程中宇宙膨脹了多少的資訊。

由左至右，三個有著多重透鏡效應的類星體系統，分別是：HE0435 -1223、PG1115+ 080、RXJ1131-1231 (IMAGE CREDIT:G. CHEN, C. FASSNACHT, UC DAVIS )

陳之藩說：「利用重力透鏡來測量哈伯常數的最重要條件之一，就是具備高靈敏度和高解析度的成像能力。」「在我們的成果發表之前，利用重力透鏡來量測最精確的哈伯常數基本上都是使用哈伯太空望遠鏡提供的資料。在這個研究裡面我們發現了兩件事。首先，我們的值與以前基於HST資料的測量值一致，這證明AO的數據影像在未來可以成為HST數據影像的另一種選擇，提供天文研究所需資料。其次，結合AO和HST影像，得到的結果更精確。」

「如果更多的測量持續顯示一樣的結果，我們將會改寫人類對於宇宙的瞭解，也會對宇宙有更深的認識。」

本項研究結果已於2019年10月23日由Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 發表。篇名：A SHARP view of H0LiCOW: H0 from three time-delay gravitational lens systems with adaptive optics imaging

論文作者為：Geoff C-F Chen, Christopher D Fassnacht, Sherry H Suyu, Cristian E Rusu, James H H Chan, Kenneth C Wong, Matthew W Auger, Stefan Hilbert, Vivien Bonvin, Simon Birrer, Martin Millon, Léon V E Koopmans, David J Lagattuta, John P McKean, Simona Vegetti, Frederic Courbin, Xuheng Ding, Aleksi Halkola, Inh Jee, Anowar J Shajib, Dominique Sluse, Alessandro Sonnenfeld, Tommaso Treu

中央研究院天文及天文物理研究所科學成果發表： https://www.asiaa.sinica.edu.tw/news/sciencehighlight.php

編輯：黃珞文

審校：陳之藩、周美吟博士