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歐洲太空中心2009年發射普朗克人造衛星,拍到比以往更清晰、精確的「宇宙微波背景」畫面。此微波輻射在宇宙流浪138億年,是在大霹靂之後產生、遺留至今而成。 圖/取自NASA網站

宇宙在「大霹靂」之後誕生,爆炸後第38萬年產生的光,隨著宇宙不斷擴張,

慢慢降溫到約攝氏零下270度,變成看不見的「宇宙微波背景」,

在宇宙流浪了138億多年後,如今被歐洲太空中心的普朗克衛星(Planck)拍下歷來最清晰的畫面,形同宇宙混沌初始的嬰兒照片,更能印證「大霹靂」的宇宙學模型。

普朗克升空3年之後,歐洲太空中心3月23日在巴黎首次發表其研究成果,台大「梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心」美籍研究員高提耶參與研究計畫,台大當天特別連線轉播巴黎舉行的記者會,向國人介紹「宇宙微波背景」(cosmic microwave background,CMB)的奧秘。

梁次震宇宙學中心主任陳丕燊指出,1929年,美國天文學家哈伯首次發現,遠方的星系正離地球加速遠去,推測宇宙仍不斷在膨脹,為大霹靂的理論奠下基礎。後續天文物理學家發展出更完整的學說,認為宇宙最初只是一個小小的點,經過一場「大霹靂」才誕生。

陳丕燊說,宇宙誕生的一剎那,瞬間「暴脹」到10的32次方倍,打個比方,相當於在10的負35次方秒內,101大樓由0.5公分大小的模型,膨脹到實體建築那麼大。

初始的宇宙,像一個高溫高熱的爐子,充滿了活躍的質子、電子,和光交換能量。隨著宇宙不斷膨脹、降溫,到了宇宙誕生後的第38萬年,質子和電子結合成氫原子,能量減弱的光,不足以拆散質子、電子,就在宇宙各處流浪,持續減能、降溫、波長也越來越長,變成肉眼看不到的「宇宙微波背景」。

陳丕燊指出,1964年,美國貝爾實驗室的工程師阿諾‧彭齊亞斯和羅伯特‧威爾遜架用天線接收人造衛星微波信號時,發現一種無法消除的雜訊,進而確認這就是宇宙微波背景,為大霹靂理論,提供有力證據,兩人因此獲諾貝爾物理獎。

美國太空總署1989年發射人造衛星「COBE」,首次拍到CMB的畫面,更加鞏固大霹靂理論。學者馬瑟和史穆斯在1992年發現CMB從各個不同方向測量,溫度有10萬分之一的些微差異,因為這種溫度的不平均,星系、地球、人類才得以出現。兩人在2006年獲諾貝爾物理獎。

陳丕燊解釋,因為溫度、能量高的地方,重力較強,會吸引其他能量,集結成星球、星系;而能量低者,弱者越弱,最後化為一無所有的太空。

2009年5月,歐洲太空中心發射觀測CMB的第三代人造衛星普朗克,溫度精確10倍,拍到更精確的CMB影像。陳丕燊說,透過3月23日發表的相關數據分析,可斷定宇宙的年紀約138億8200萬年;也可推估,組成所有星球及星系的常態物質,僅占宇宙的5%,「暗質」約占25%,被視為加速宇宙膨脹的神秘力量「暗能」,則占70%。

全球最大天文計畫

位於智利北部的阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列,是全球最大的天文計畫,共66座天線。 (路透)

其中54座直徑達12公尺寬。圖為工作人員檢測天線。 (路透)

 

 

台灣在國際天文研究領域中逐漸嶄露頭角,參與的大型的國際合作觀測計畫有7個。其中包括目前全球最大的天文計畫─阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array, ALMA)。

林凱揚指出,宇宙太大了,天文研究無法一個國家悶著頭自己做,要與全球各國合作才行;並且要做最新的天文研究,觀測儀器也要盡可能自己蓋,才能掌握一定的研究權,不會凡事都需要別人幫忙。

林凱揚說,ALMA計畫在智利北部設置了66座天線,其中54座的直徑達12公尺寬,「非常巨大」;科學家能透過這些天線,把宇宙的訊號截取下來,再把訊號拿給超級電腦運算,一張張觀測星雲的圖就能顯像出來。

中研院參加的國際天文計畫

林凱揚表示,有17國參與ALMA計畫,美國、日本、歐盟國家都是成員,台灣的經費貢獻約占總計畫5%,但在科學觀測及科研結果上,卻能拿到7%的研究,可見台灣的天文研究越來越受肯定。

 

宇宙會放熱 人體也也電磁波

中央大學天文研究所教授陳文屏表示,人眼只能看得到可見光,但除可見光外,大自然還有X光、紅外線、紫外線、伽馬射線等眼睛看不到、必須用特殊的儀器才能照出的電磁波。

他解釋,物質散發熱度時會發出電磁波,溫度越高會發出越高能量。

「人體會發熱,就會放出電磁波」,陳文屏說,只是因人體不會發出可見光,所以大家不容易查覺到,但只要透過特殊儀器,電磁波一樣無所遁形。例如消防隊員或警察要救人或攻堅時,會用紅外線透視鏡,查看有無發出熱能的物體存在,用來判斷敵人或受困者所在的位置。

看得更遠一點,我們存在的宇宙會發熱,也有電磁波,這要從「宇宙大爆炸 」說起。

陳文屏表示,根據大爆炸理論,宇宙一開始是個密度極高、溫度極熱的「點」,約138億8200萬年前大爆炸後,散發出很高能量的光和熱,且宇宙體積還持續不斷地膨脹。

不過,因宇宙的能量是固定的,當宇宙不斷膨脹的過程,溫度就會降下來。從大爆炸初期,無法以數字描述的高溫,到後來慢慢降溫,現在已減弱到3度絕對溫度。而3度絕對溫度散發出的電磁波,就屬於微波的波長。

宇宙輻射是一種熱輻射,也是大爆炸留下的痕跡,這份殘存在宇宙間的能量,以微波的型式存在著。

歐洲太空總署的普朗克人造衛星上,也有能感應微波的裝備,「兩方就這樣對上線」,普朗克的儀器具有極高的靈敏度及解析度,才能把收集到的宇宙微波,繪製成宇宙大爆炸38萬年後的「宇宙嬰兒照」。

微波妙用多 生熱能、做通訊

微波是電磁波的一種,波長1公尺至1公釐,比可見光或紅外光的波長還長,但比無線電或電視的波長短。中研院天文所計畫科學家林凱揚表示,通訊用的微波及微波爐用的微波,都是同一種,只不過是波長不同,像手機用的微波波長約在30公分,微波爐的微波是12.2公分,而人造衛星的微波波長僅1至3公釐。

微波爐是怎麼讓食物變熱?林凱揚表示,微波爐的微波波長是12.2公分,對應頻率是2450MHz,這種波長與頻率,對於水的加熱效率最高。

微波爐產生的微波能穿透絕緣體,當這些微波遇上有水份的食物,微波會與水分子以相同的頻繁激烈振盪,振盪中,分子與分子互相摩擦,便產生了熱能。水分子在微波間每秒約振盪24億次,這種極高速振盪能在短時間內,替食物均勻加熱。

微波通訊也是微波的另一大應用。林凱揚說,微波能將信號以3000到30000MHz的微波作為載體傳輸,把資訊裝在這個波段裡,讓手機跟基地台之間通訊。最大的優點是微波能用最小的頻寬服務大量的用戶,而且訊號穩定、不易斷訊,適合用來做短程的通訊。

 

暗物質可能存在 台灣自製電子儀出力

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阿爾伐磁譜儀(AMS)位於國際太空站(ISS)外部(圖左方標出AMS處),2010年5月19日安裝完成並開始收集宇宙射線的數據。 圖/中研院院士李世昌提供

為了更了解宇宙的起源與演化,中研院院士丁肇中領導由16國組成的阿爾伐磁譜儀(AMS)實驗,在2011年5月成功發射的全球最靈敏的粒子譜儀,繞行地球收集宇宙射線。

前天AMS團隊在美國公布前18個月的觀測資料,目前共觀測到約40萬個「反電子」(電子的反物質),總量是科學界歷史觀測總和的10倍,可能證實「暗物質」確實存在,可望開啟新的物理領域。研究成果將發表在今天出刊的「物理通信評論」。

中研院院士李世昌也參與AMS計劃的分析工作,昨天在中研院公布這個消息。

他表示,根據科學界的「宇宙模型」及觀測結果,宇宙演化的過程中需要存在肉眼看不到的「暗物質」。這些暗物質與我們知道的物質不同,沒有強作用力、弱作用力及電磁作用,但具有重力,也可能存在其他新的作用力。不過,過去科學界一直無法找到暗物質。

這次研究找到更多反電子,代表宇宙中存在新的「反電子源」;這有可能是兩個暗物質相撞產生的。

根據物理理論,兩個暗物質相撞會產生電子與反電子,因此科學家認為觀測到比過去更多的反電子,可能是暗物質存在的證據。但反電子也有可能是由中子星或黑洞產生,李世昌表示,仍須進一步分析,才能證實這些反電子的能量是否符合暗物質相撞的特性。

李世昌負責統籌台灣AMS計畫,他指出,台灣是AMS觀測計畫5個主要參與國之一,AMS上有台灣中科院自製的電子儀器,經過近兩年運作狀況良好,讓美國太空總署(NASA)相當驚艷。

他並說,台灣團隊的電子儀器成本比NASA過去使用的太空材料便宜、運算速度更快,NASA已表示希望與台灣及美國麻省理工學院(MIT)合作,開發下一代太空電子系統,顯示台灣製作太空電子儀器的實力。

閱報秘書》 什麼是反物質?

什麼是反物質?基本粒子一般都有對應的反物質粒子,如電子的反物質稱為反電子,夸克的反物質稱為反夸克,質子的反物質稱為反質子等。物質與反物質的質量等性質相同,但電荷、磁矩等性質相反。




 
 
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