拿宇宙放大鏡取得的

宇宙膨脹率獨立測量

圖像版權:NASA、ESA、蘇游瑄 (德國馬克斯普朗克天文物理研究中心、德國慕尼黑科技大學、中央研究院天文及天文物理研究所)、黃活生 (日本東京大學Kavli宇宙數學物理研究所)

碰上令人大吃一驚的事情時,有些人說:「天哪!」其英文 “Holy Cow”。一支追蹤哈伯常數測量的團隊則將自己的計劃取名為”H0LiCOW”,全名為:H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring)。

宇宙膨脹速度到底是多少,這個精確值,對於確認宇宙的年齡、大小、命運非常重要。近年來,探索這一奧秘是天文物理學的一大挑戰。

H0LiCOW的這群天文學者利用美國航太總署(NASA)的哈伯太空望遠鏡以及一種完全獨立於先前其他方法的新技術,測量了宇宙膨脹率(或稱「哈伯常數」)。

最新獲得的這個數值是以「重力透鏡法」所獲得的宇宙膨脹率的最精確測量結果;在這種方法中,前景星系的重力會像巨大的放大鏡一樣,去放大扭曲背景物體的光線。這項最新研究成果與傳統方法不同,傳統上,天文學家藉「宇宙距離階梯法」,把多種恆星當作「公里數告示牌」去精確測量星系距離,但H0LiCOW這項研究成果卻是用了重力透鏡本身具有的新奇物理來計算出宇宙膨脹率。

這項結果,更進一步顯示出,採不同方法推導出的宇宙膨脹率彼此間存有令人不安的差異。

H0LiCOW團隊主持人,中央研究院天文及天文物理研究所訪問學者,現任職於德國馬克斯普朗克天文物理研究中心及德國慕尼黑科技大學的蘇游瑄說:「要是這些結果不一致,那可能暗示著我們還沒完全瞭解物質和能量在宇宙的時間長河裡究竟是怎麼演化來的──特別是在宇宙早期。」

(中央研究院天文及天文物理研究所成果發表,上網時間:2020年1月9日)

天文學者團隊利用美國航太總署(NASA)的哈伯太空望遠鏡,用一種完全獨立於先前其他方法的新技術測量了宇宙膨脹率。

宇宙膨脹速度的精確值對於確知宇宙的年齡、大小和命運很重要。近年來,探索這一奧秘是天文物理學的一大挑戰。最新獲得的研究結果更加證實,科學家可能需要一套新理論來解釋種種發現。

這組研究人員取得的結果更進一步地顯示出,採不同方法推導出的宇宙膨脹率之間存有令人不安的差異,這個膨脹率稱為哈伯常數,是根據本地宇宙測量及根據早期宇宙微波背景輻射(然而該時期宇宙中,星系和恆星都還不存在)預測,經過計算推導而得的數字。

這最新獲得的數值代表了目前為止用「重力透鏡法」所得的最精確測量結果,在這種方法中,前景星系的重力像個巨大的放大鏡,放大扭曲背景物體的光線。他們用的方法與傳統方法不同,傳統上,天文學家靠著「宇宙距離階梯法」這種技術,把多種恆星當作「公里數告示牌」去精確測量星系距離,但這項研究成果卻是用了重力透鏡本身具有的新奇物理來計算出宇宙膨脹率。而他們所用於導出哈伯常數值的這套觀測和分析技術,在過去20年以來已大幅度優化改善。

H0LiCOW和其他最近發表結果的測量頻頻顯示,在本地宇宙測得的宇宙膨脹速度快於普朗克衛星觀測130多億年前宇宙呈現樣貌後得到的預期宇宙膨脹速度。這兩個值之間的差距對於理解宇宙的基本物理參數帶來重要的意義,這種差異意味著物理學可能需要更新才可解釋。

H0LiCOW團隊的主持人,中央研究院天文及天文物理研究所訪問學者蘇游瑄,目前任職於德國馬克斯普朗克天文物理研究中心及德國慕尼黑科技大學,她表示:「要是這些結果不一致,那可能暗示著我們還沒完全瞭解物質和能量在宇宙的時間長河裡究竟是怎麼演化來的──特別是在宇宙早期。

這次成果如何取得?

H0LiCOW團隊用哈伯望遠鏡觀察了六個遙遠的類星體(quasar)發出的光,這些明亮有如探照燈的光是來自於星系中心超大質量黑洞周圍的一些氣體。類星體具備著很多理想的背景天體所需條件:很亮,很遠,散佈在天空中各個方向等。哈伯望遠鏡觀測了每個類星體的光如何在前景星系的重力放大之下形成4個圖像。所研究的前景星系和地球之間的距離是在大約30億到65億光年左右;位於背景的類星體與地球的距離則約在55億光年左右(取平均數)。

每個受透鏡效應彎曲的類星體圖像所發出的光,穿過太空而到達地球,其路徑其實都略微不同,路徑的長度,取決於沿「視線方向」這條路線上所經過的物質量有多少;量多則空間形變多。追蹤每條路徑的方式是,監測類星體的光在其黑洞吞噬物質時的閃爍。這種閃爍的成因源自於每個透鏡化圖像變亮的時間不同。

閃爍的順序,讓研究人員可測量每幅圖像間的時間差是多長。為了充分理解這些時間差,研究小組首先使用哈伯望遠鏡繪製出在每個「透鏡星系」(=「具有透鏡效果的"前景"星系」)裡物質如何分佈的精確地圖。然後,天文學家可以可靠推導得到從星系到類星體、從地球到星系,以及從地球到背景類星體,它們距離是多少。比較這些距離值,也就是在測量宇宙膨脹率。

每個時間差的長度代表著宇宙膨脹的速度」,來自日本東京大學Kavli宇宙數學物理研究所的團隊成員黃活生說,「如果時間差較短,宇宙是以較快的速度膨脹。如果時間差較長,那麼膨脹速度是比較慢。」黃活生是H0LiCOW團隊一篇最新論文的主要作者,曾與蘇游瑄教授於同一時期在中研院天文所任職博士後研究。

時間差如何產生的過程,類似於四列火車在完全相同的時間離開同一車站,前往同一目的地,儘管途中速度也維持全部相同,但四列火車卻在不同的時間到達目的地,發生這種情形是因為每列火車走的路線不同,導致走過的距離也有所不同。譬如其中一列火車隨山坡地勢而上下起伏。另一列取道山洞從中穿越,還有一列在群山中左右蛇行。根據到達時間的不同,我們可以推斷出每列火車為了到達同一站所走的不同距離。同樣的,我們可以知道類星體的閃爍也有前有後,它們並不同時出現則是因為,當被透鏡化的類星體的光通過前景星系時,星系裡面稠密物質的重力作用,讓光的路徑產生彎曲,一些光因而被延遲。

上圖中,每張哈伯太空望遠鏡的快照都顯示著4個背景類星體的變形圖像,變形圖像環繞著的是在前景中,位於大質量星系核心的一個區域。

前景星系重力造成多重類星體圖像,因為前景星系的重力像放大鏡,藉由一種被稱為重力透鏡的效應,把背景類星體的光線扭曲變形。類星體類似像是遙遠宇宙的盞盞路燈,是由活躍黑洞產生。

來自每個透鏡化類星體圖像的光,在穿過太空到達地球時所經過的路徑略有不同。該路徑的長度取決於位在類星體到地球的視線路線內有多少的物質將空間變形。為了追蹤每一條路徑,天文學家需要監測類星體的黑洞在吞噬物質時發出的光及那些光的閃爍情形。光線閃爍,就是每個透鏡圖像在不同的時間裡變亮。因為透鏡化的類星體的光是沿個別路徑抵達地球的,所以閃爍的順序讓研究人員能測量每個圖像之間的時間差。

測量這些時間差讓天文學家能計算宇宙的膨脹速度,這個值也被稱為哈伯常數。

照片是由哈伯先進巡天相機於2003年至2004年間所拍攝。

圖像版權:NASA、ESA、蘇游瑄 (德國馬克斯普朗克天文物理研究中心、德國慕尼黑科技大學、中央研究院天文及天文物理研究所)、黃活生 (日本東京大學Kavli宇宙數學物理研究所)

和其他宇宙膨脹率的異同

這組研究人員計算出的哈伯常數值為每百萬秒差距每秒73公里(不確定度為2.4%)。這意思是,由於宇宙是加速膨脹的,所以星系與地球之間的距離每增加330萬光年,星系的移動速率會是每秒增加73公里。

這個測量值和另一個團隊所計算的哈伯常數值74接近,該名為SH0ES的團隊用的是宇宙階梯法,用「造父變星」和「超新星」來為距離地球或遠或近的星系測距。

SH0ES的74和H0LiCOW的73,兩者相近,卻與普朗克太空衛星望遠鏡67差異顯著,加強了哈伯常數在現今宇宙所測量的與基於早期宇宙觀測所獲得的預測值間的緊張。

蘇游瑄教授表示:「研究進行過程中的挑戰之一是需要取得好幾個類星體透鏡系統時間差,那是藉由專門監測透鏡效應的 COSMOGRAIL 計畫獲得。

蘇游教授補充說:「另外我們還開發了新的質量計算模型來測量星系的物質分佈,譬如說,為了要能夠善加利用哈伯望遠鏡的高解析度圖像,讓它們能用來重建類星體的宿主星系,我們就特別去設計了計算模型。擁有這些哈伯圖像並加上從地面型望遠鏡拍攝的許多寬場圖像,能更好地描述透鏡系統環境是如何;因為透鏡系統會影響光線的彎曲,所以我們要靠新的質量模型技術結合時間差,這樣才能很精確測量星系的距離。

H0LiCOW團隊組成於2012年,現在擁有哈伯望遠鏡的10個透鏡化類星體以及它們的透鏡星系的圖像,還有時間差資訊。該小組將繼續與兩個新計畫研究團隊合作,尋找並跟蹤新的透鏡化類星體。那兩個團隊,一個是尋找新透鏡化類星體系統的”STRIDES”計畫,另一個是「高角解析力強透鏡計畫」,”SHARP”。SHARP計畫用凱克望遠鏡的自適應光學技術對透鏡系統成像。H0LiCOW團隊的目標是再多觀測30個透鏡化類星體系統,將不確定性由2.4%降低至1%

美國NASA預計將在2021年發射的韋伯太空望遠鏡,能幫忙繪製透鏡星系中恆星速度圖像,開發更精確的星系暗物質的分佈模型,有助於H0LiCOW團隊更快達成「1%不確定性」的目標。

H0LiCOW的成果,對目前在進行中的幾個透鏡化類星體巡天普查計畫相關研究預期將有幫助,譬如暗能量普查(Dark Energy Survey)和泛星計畫(PanSTARRS),而這幾個計畫共大約會找到數百個透鏡化類星體。美國國家科學基金會的LSST大型綜合觀測望遠鏡計畫(Large Synoptic Survey Telescope),預計可望再多發現幾千個透鏡化類星體,H0LiCOW的成果對LSST也會很有幫助。

該團隊已在第235屆美國天文學會年會中發表了這項成果。

圖像版權:NASA, ESA, and A. James (STScI)

這個資訊圖表完整列出天文學家用來測量宇宙膨脹速度的各種技術。

宇宙膨脹速度也稱為哈伯常數。這個數字的精確值對於確認宇宙的年齡、大小和命運很重要。

圖表顯示兩組方法,其中一組,是在觀測非常早期的宇宙。根據他們的測量結果,天文學家計算出哈伯常數。另一組的觀測策略則是去分析本地宇宙中的宇宙膨脹速度。一個是早期宇宙,一個是近期宇宙。

宇宙學家面臨的挑戰是,這兩種方法得到的值卻不相同。這就像從河的兩端搭一座橋而到了河中央兩邊卻錯開而連不起來一樣,令人費解。顯然是哪裡出了什麼問題,但到底是哪裡有問題?天文物理學家可能需要重新思考他們對可觀測宇宙的基礎物理。

插圖的上半部分描述的是用於測量本地宇宙的宇宙膨脹率的7種方法。

在右側的橋上,依大小順序排出每種技術對應的數值位置,請參考各方法對應的字母,例如,a 是重力透鏡法,g 是造父變星法。橋上每個點的位置表示各法所測量的哈伯常數值,藍色線條長短顯示測量中伴隨預估而來的不確定性高低。這7種方法加在一起所產生的哈伯常數值是每百萬秒差距73公里。

這個數字與源自於對早期宇宙的觀測,同時也是天文學家用來計算宇宙膨脹率的值,如圖的下方的橋所示 -- 卻不一致。然而,下圖的5種方法通常是更為精確,因為它們的估計不確定性較低,其藍色線條也較短。這邊合併計算得出的哈伯常數值是每百萬秒差距67.4公里。

圖像版權:NASA, ESA, and A. James (STScI)

圖像版權:NASA、ESA、蘇游瑄 (德國馬克斯普朗克天文物理研究中心、德國慕尼黑科技大學、中央研究院天文及天文物理研究所)、黃活生 (日本東京大學Kavli宇宙數學物理研究所)

本篇論文發表於Monthly Notices of the Royal Astronomical SocietyH0LiCOW XIII. A 2.4% measurement of H0 from lensed quasars: 5.3σ tension between early and late-Universe probes

論文作者為:Kenneth C. Wong, Sherry H. Suyu, Geoff C.-F. Chen, Cristian E. Rusu, Martin Millon, Dominique Sluse, Vivien Bonvin, Christopher D. Fassnacht, Stefan Taubenberger, Matthew W. Auger, Simon Birrer, James H. H. Chan, Frederic Courbin, Stefan Hilbert, Olga Tihhonova, Tommaso Treu, Adriano Agnello, Xuheng Ding, Inh Jee, Eiichiro Komatsu, Anowar J. Shajib, Alessandro Sonnenfeld, Roger D. Blandford, L´eon V. E. Koopmans, Philip J. Marshall, and Georges Meylan

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:蘇游瑄教授、周美吟博士