《重力簡史》:沒人知道是什麼的宇宙「暗物質」

《重力簡史》:沒人知道是什麼的宇宙「暗物質」
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我們想讓你知道的是

宇宙中存在著「看不見的物質」的想法,終究沒有進入天文學主流,也許是因為這原本就令人難以置信。但羅賓與福特對於恆星在螺旋星系中公轉的極精確觀察改變了一切。大量恆星速度異常的數據,終於讓此事浮上檯面。

文:馬可士.鍾(Marcus Chown)

太陽系外行星

我們目前已知繞著其他恆星公轉的行星有數千顆,這些「太陽系外行星」(exoplanets)難以直接觀測。許多行星的存在,反而是從它們對母恆星的作用間接被推測出來的。這全都歸功於牛頓引力定律的相互性。太陽對行星的引力大小,就跟行星對太陽的引力大小一樣。當然,太陽因為質量巨大許多而難以移動,所以產生的反應也相對小得多。雖然如此,它還是會移動。

嚴格來說,這代表行星並不是繞著靜止的太陽運轉。行星繞著太陽運轉,是牛頓為了能夠進行預測所採用的另一個概算法。相反的,行星與其太陽是繞著它們共同的質量中心運轉。因為太陽是個質量比行星巨大許多的天體,共同質心會靠近太陽的中心點,通常也在它熾熱的體內。[1] 當行星繞著體系的共同質心在大範圍的軌道中運轉,太陽則繞著質心在極小的軌道中運轉。

另一個思考方向則是:想像行星拉著太陽往某一方向,在軌道繞行半圈後,又拉著太陽往相反的方向去。這會造成太陽有些微移動或「晃動」,在地球上以靈敏的儀器可以測出這些晃動。以警笛為例,它在靠近時的頻率或「音調」會比較高,遠離時的頻率則會比較低,恆星裡原子放射光的頻率也是一樣的情況,其頻率的高低取決於距離地球的遠近。藉由測量氫之類元素的共同原子其「都卜勒效應」(Doppler shift)的大小,天文學家可以判定出恆星靠近或遠離地球的速度。

在恆星受到行星引力拉動的情況中,像木星那麼大的行星造成的最大晃動速度只有每秒幾公尺,而像地球這麼大的行星則只有每秒10公分左右。換句話說,像太陽這種直徑超過100萬公里的高熱氣態球體,在受到木星及地球引力的影響下,接近與遠離我們的速度分別跟慢跑者與烏龜差不了多少。雖然這是科技上的大挑戰,天文學家還是可以用高靈敏度的「光譜儀」(spectrograph)來測量這類速度,並推測未知行星的存在。[2] 從1990年代起,經由這種方式已經發現了超過2,000顆行星,目前也正以此科技搜尋第二個地球。[3]

就未知領域的預測而言,牛頓引力定律最驚人的應用不在恆星與行星的領域,而是在宏觀宇宙中。20世紀末,天文學家才驚訝的發現,他們原以為恆星與星系是構成宇宙的唯一元件,但其實恆星與星系只占宇宙的一小部分。宇宙中的物體比我們所想的還要多很多,而且是我們完全看不見的。

看不見的宇宙

1960年代與1970年代末期,華盛頓州卡內基研究所地磁系(Department of Terrestrial Magnetism ofCarnegie Institution of Washington)的薇拉.魯賓(Vera Rubin)與肯特.福特(Kent Ford)開始研究螺旋星系(spiral galaxies)。這些星群的巨大漩渦大概占了所有星系的15%,其中當然也包括我們的銀河系。羅賓與福特開始量測在螺旋星系的恆星,其繞著中央巨大「凸起」旋轉的速度有多快。

這兩位天文學家挑選看得到側邊的螺旋星系,因為在這種體系中的恆星會隨著我們的視線移動。運用超級靈敏的光譜儀,他們可以量測出比過往任何人都還要準確的恆星速度。

距離每個星系中央極為遙遠的恆星,其所受的引力應該也比較小。因此,羅賓與福特預期這些行星也會像太陽系中距離太陽極遠的那些行星一樣,運轉的速度越來越慢。

然而,結果並非如此。

這兩位天文學家盡可能地找到離每個螺旋星系中央最遠的恆星,卻發現這些恆星公轉的速度依然一樣。這些恆星公轉的速度太快了。它們就像坐在加速旋轉木馬上的孩童,可能會從旋轉木馬般的螺旋星系中被甩出來,飛越過星際的空間,因為母星系的引力無法拉住它們。但是引力卻拉住了它們。

今日的天文學家跟19世紀時的前輩一樣,對牛頓的引力定律都有著不可動搖的信念,因為引力在這麼多世紀以來,成功解釋了許多事物。[4] 所以對於螺旋星系中恆星的異常運作,他們的解釋與亞當斯及勒維耶對於天王星異常運作的解釋相差不遠。天文學家認為,螺旋星系中的恆星之所以不會飛到星際空間中,是因為這些恆星受到更多望遠鏡未見物質的引力牽引所致。而這些物質非常非常的多。

值得注意的是,每個螺旋星系都嵌在「暗物質」(dark matter)所構成的巨大球形雲霧中,就像被一大群蜜蜂所包圍的光碟片一樣。暗物質不發光,或至少光量不足以讓當前最靈敏的儀器所測得,而且重量通常是可見恆星的十倍。

海王星的發現,只不過顯示我們忽略了太陽系中一顆行星的存在。然而,暗物質的發現遠遠重要許多,因為這顯示我們忽略了宇宙中大部分的物質。

事實上早在1930年代,宇宙中存在的物質比任何人猜想的都還要多的第一個線索就已經出現。加州理工學院瑞士裔美籍天文學家弗里茨.齊維奇(Fritz Zwicky)那時觀察著星系團,驚訝地發現,組成星系團的那些星系旋轉得如此快速,照道理應該會被拋到無窮遠的地方去。荷蘭天文學家揚.歐特(Jan Oort)也在同期發現,太陽附近的恆星似乎以更快的速度繞著銀河系中心轉動,這超出太陽軌道內可見物質產生的引力所能解釋。

齊維奇認為星系團中必定存在著更多望遠鏡看不到的物質,歐特也認為銀河系中必定存在著更多望遠鏡看不到的物質。因為暗物質所產生的額外重力,才能牽引住星系與恆星,而暗物質一詞,正是由齊維奇從德文Dunkle Materie創造。

宇宙中存在著「看不見的物質」的想法,終究沒有進入天文學主流,也許是因為這原本就令人難以置信。但羅賓與福特對於恆星在螺旋星系中公轉的極精確觀察改變了一切。[5] 大量恆星速度異常的數據,終於讓此事浮上檯面。

重力不只揭示了暗物質的存在,還可以用來推斷暗物質的分布狀況。這是因為從遙遠星系傳送到地球的光線,在途中經過暗物質時,會被暗物質的重力所彎曲或「偏折」(lensed)。根據遠處星系影像的扭曲或「輕微偏折」(weak lensing),可以推斷出暗物質的分布。目前在智利的山頂上正在建造一座運用此種效應的望遠鏡,也就是大型綜合巡天望遠鏡(Large Synoptic Survey Telescope),它顛覆了望遠鏡原理,[6] 經由所搜集的光來呈現出暗的影像。

暗物質存在的證據不只來自螺旋星系,還來自其他重要地方。宇宙在138億2千萬年前從巨大的爆炸(大霹靂)中誕生,自此之後不斷的膨脹及冷卻。冷卻的碎片凝結成為1,000億個左右的星系,其中也包括我們的銀河系。這個說法最大的問題在於,它沒有預測出宇宙一個相當重要的特點:我們的存在。

星系之所以會形成,是因為大霹靂火球中部分區域的密度略大於其他區域(在宇宙誕生的初始瞬間爆炸中,產生了「量子化」的過程,據信「密度擾動」〔density fluctuations〕就是在此時烙印在宇宙之中——不過這又是另外一個故事了 [7])。因為密度稍大區域的引力較強,可以比其他區域更快拉動物質,進而又增大本身的引力,讓它們拉動物質的過程更為快速,就像是富者越富的情況那般。但重點在於:這個過程太過緩慢。從宇宙誕生的那一刻起到現在為止過了138億2千萬年,對於建立出像銀河系這麼大的星系來說,這個時間實在太短了。除非有更多更多我們用望遠鏡看不到的物質存在——這些物質的引力加速了星系的形成。這些物質就是暗物質。

宇宙中的暗物質為可見物質的五到六倍重——可見物質就是像你、我、恆星與星系這類由原子構成的物質。事實上,透過觀察到大霹靂火球「餘輝」的歐洲太空望遠鏡「普朗克」(Planck),我們可以有更加精準的估算。宇宙中4.9%的質能為原子,26.8%為暗物質(剩下的68.3%則為「暗能量」,這在1998年才被發現,暗能量看不見並充斥整個太空中,還具有相斥的引力,但這同樣也是另外一個故事了 [8])。

至於暗物質的定義——暗物質究竟是什麼——我們的猜測都半斤八兩。有個說法是,它是由目前還未被發現的次原子粒子所構成。像「超對稱理論」(supersymmetry)這類物理學上的推測理論,假設有種新基本粒子大量存在,這種粒子「感應」不到電磁力,因此也不會產生光這種電磁波。另一個想法是,暗物質是由冰箱大小的黑洞所構成,每個質量有木星這麼大,它們是在大霹靂火球內的劇烈環境中誕生。[9]

如果暗物質是由「初始」黑洞所構成,並假設它們均勻遍布整個宇宙,那麼離我們最近的一個初始黑洞大約距離我們有30光年遠,約是太陽系附近最近恆星南門二星(Alpha Centauri)的十倍之遠。如果暗物質是由次原子粒子所構成,那麼此刻它正在飛穿你的身體,不過就跟子彈穿過雲霧一樣,它對你身體的原子不會有影響。關於暗物質只有一件事可以確定:若是你能確認它的定義,那麼諾貝爾獎就在斯德哥爾摩等著你去領了。

採用現今的說法,我們可以說海王星當年曾是暗物質,不過若我們乘坐時光機回到19世紀,我們將會發現海王星不是唯一的暗物質行星。另外還有一個如幽靈般不確定存在的行星,它叫做火神星(Vulcan)。


注釋

[1] 行星會發光主要是因為反射了母恆星的光芒,而恆星則是因為自身核心處的核反應而產生亮光。這樣的核反應需要幾百萬度的高溫來點燃,於是需要巨大的質量來承載恆星的核心——物體受到擠壓時會生熱,用過腳踏車打氣筒的人就會知道。區隔行星與恆星的標準是:質量小於太陽質量的0.08倍或木星質量的80倍的天體,就是行星,質量大於此質量的天體則為恆星。

[2] 光譜儀運用「繞射光柵」(diffraction grating)將恆星光散射成構成光線的彩虹顏色。光柵通常是由透明平板表面上的許多平行刻痕所構成,其效果優於玻璃「稜鏡」。恆星外部大氣層中特定元素裡的原子,會在特定頻率上產生暗帶。只要看看這類暗帶在頻率上移動的距離有多遠,並比對同類行星所創造的類似暗帶,就可以測量出都卜勒效應。

[3] 太陽系外行星不只可經由觀察母恆星的「晃動」來發現。從地球的角度來觀測,如果行星在繞行恆星時會周期性的跨過恆星表面,那麼行星就會減少恆星的亮度,像木星這樣質量的行星大約減少1%,像地球這樣質量的行星大約減少0.01%。在2009年射入地球軌道的的克卜勒太空望遠鏡(Kepler space observatory),已經觀測到超過10萬顆恆星,並以此種方式發現超過1,000顆太陽系外行星。

[4] 並非所有人都對牛頓的引力定律堅信不移。以色列雷霍沃夫魏茨曼科學研究學院(Weizmann Institute in Rehovot)莫德采.米爾格若姆(Mordehai Milgrom)所領導的少數天文學家相信,若加速度不到重力加速度的10億分之一,那麼重力會轉變成更強的形式,並不會依循力的平方反比定律而隨著距離快速變小。修正的牛頓動力學(Modified Newtonian Dynamics;MOND)可用單一公式來描述所有螺旋星系中恆星的公轉運行。相較之下,若要以暗物質來解釋,則需要多種不同分布且不同數量的暗物質,才能解釋每個螺旋星系的恆星運行。修正的牛頓動力學與愛因斯坦的相對論相容,是耶路撒冷希伯來大學(Hebrew University of Jerusalem)的雅各布.貝肯斯(Jacob Bekenstein)於2000年所發現。參見‘Relativistic gravitation theory for the MOND paradigm’。

[5] Vera Rubin, N. Thonnard and Kent Ford, ‘Rotational Properties of 21 Sc Galaxies with a Large Range of Luminosities and Radii from NGC 4605(R=4kpc) to UGC 2885 (R=122kpc)’, Astrophysical Journal, vol. 238, 1980, p. 471.

[6] 更多關於大型綜合巡天望遠鏡的資訊,請參考:http://www.lsst.org/

[7] Marcus Chown, Afterglow of Creation, Faber & Faber, London, 2010.

[8] 出處同上。

[9] 黑洞是太空中一個重力極為強大的區域,此區的重力強大到沒有任何東西可以逃脫,即使光也一樣,所以才會如此黑暗。我們目前發現兩種黑洞類型。一種是恆星質量黑洞,這是巨大恆星走到生命盡頭時,引力瓦解恆星本身所造成。另一種為「超級質量」黑洞,其質量可達太陽質量的300億倍,起源還未知,潛伏在包括銀河系在內的每個星系核心處。不過有些物理學家主張還可能有第三種黑洞類型的存在:在大霹靂初始瞬間爆炸中所創造出來的迷你黑洞,它們至今依然存在。

相關書摘 ►《重力簡史》:宇宙大霹靂是如何被發現的?

書籍介紹

本文摘錄自《重力簡史:牛頓的蘋果如何啟發重力法則、相對論、量子論等重大物理學觀念》,商周出版

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作者:馬可士.鍾(Marcus Chown)
譯者:蕭秀姍

宇宙大霹靂之後,如果重力沒有「開啟」,時間可能會倒轉?
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月球與太空艙裡失重的太空人,其實都正在往下掉?
月球的潮汐力不只影響海洋,就連固態岩石也難逃魔掌?
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作者以一篇篇科學家的生平軼事,以及循序漸進、有趣易懂的解釋與比喻,帶領讀者進入相關理論的核心。翻開本書,相信你不會再認為天文與物理深奧難解,並深受吸引!

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Photo Credit: 商周出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:潘柏翰




「大宅豐鼎」改寫豐原天際線,成就絕無僅有超越之作

「大宅豐鼎」改寫豐原天際線,成就絕無僅有超越之作
Photo Credit:富宇大宅豐鼎

我們想讓你知道的是

曾在台中七期推出「東方之冠」代表作的富宇建設,選中緊鄰豐原火車站的蛋黃區,欲以七期豪宅頂級規格鑄造「大宅豐鼎」,由於基地面積廣達2010坪,又規劃拔地而起三座28層豐原最高樓,甫曝光即成為詢問度與討論度飆高的熱門建案。

車水馬龍的圓環北路與豐勢路口一側,挑高兩層樓的晶瑩落地窗外觀,已然烘托出「大宅豐鼎」接待會館的非凡氣勢,沿著曲形結構踏進入口中庭,兩株聳天的原生鳳凰木,不僅營造清新脫俗的迎賓格調,還喻意著引領豐原興盛的木業發展脈絡,令人留下深刻印象; 至於跳脫制式框架的會館內部,規劃了洽談區、吧台與宴會廳等豐富設施,皆在流線型木質天花板的層疊延展下,釋放了空間尺度視覺張力,顯得更加經典雋永,一如富宇建設賦予「大宅豐鼎」的臻於完美價值,經得起時間考驗。

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Photo Credit:富宇大宅豐鼎
「大宅豐鼎」接待會館入口中庭,特地保留兩棵聳天鳳凰木,既喻意豐原的山城木業歷史脈絡,也宣告豐原將迎來首棟摩天住宅。
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Photo Credit:富宇大宅豐鼎
挑高兩層樓的「大宅豐鼎」接待會館,在曲型木質天花板層疊延展下釋放尺度張力,更顯氣派尊貴。

圓環路內市區稀缺地段,抗跌增值潛力備受矚目

「大宅豐鼎」基地位在圓環路內核心地帶,還被12公尺寬的文化街、愛國街、直興街以及向陽路173巷所環抱,坐擁四面臨路完整街廓,早已具備正市區的抗跌增值及高稀缺性等優勢,而且步行2至5分鐘就能抵達生活機能完備的向陽商圈或豐原火車站,就連前往廟東、SOGO百貨雙商圈的車程也僅需10分鐘,以及火車站旁的豐原轉運中心預計9月上旬啟用,屆時除了有國道、市區客運轉運功能,更結合大型商場、iBike及計程車招呼站等便民設施,有益於活絡區域發展,為豐原市區帶來嶄新氣象。

此外,堪稱大台中環狀快速公路網最後一哩路的國道四號豐原潭子段,年底正式通車後透過豐原、潭子兩條連絡道,就能無縫銜接台74線快速公路,估計豐原往返台中屯區可比現今節省約20分鐘,等於把大台中都心與副都心生活圈緊緊牽繫在一起,形塑出無限發展可能性,所以如此一塊堪比台中七期的鑽石級寶地,讓富宇建設展現雄心壯志,冀求打造「豐原七期」傳奇,不只讓豐原驚艷,還要讓豐原為傲。

23豐原轉運中心
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「大宅豐鼎」坐落在豐原市中心,距離火車站與轉運站僅2至5分鐘,屬於交通及生活機能便利地段。
02太平洋百貨商圈
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圓環路內都是豐原市區精華地帶,從「大宅豐鼎」開車到SOGO商圈與廟東夜市都只要10分鐘。

豐原唯一摩天地標,享受前所未見層峰生活視野

「大宅豐鼎」被定位為豐原市中心的超越之作,富宇建設號召多位設計名師傾力擘劃,集奢華、氣度與風格大成於一身,包括三座28層摩天大樓將以品字型排列,不僅確保戶戶邊間擁有良好通風採光,舉凡外觀立面、燈光設計、園藝公設與高空Lounge Bar,也都致力兼顧極致工藝美學與獨特機能價值,希望演繹出豪宅該有的大器典雅,好與113公尺高聳挺拔的摩天地標名實相符,讓住戶回到家就能享受極盡講究與永久棟距的感官震撼,一邊品味層峰生活,一邊飽覽無垠景緻。

「大宅豐鼎」總共規劃380戶,涵蓋37坪標準三房、41坪大三房、43坪標準四房、50坪大四房等四種房型,可以滿足首購或換屋不同置產需求。以往不少事業有成的在地實業家、企業主與科技新貴,總會感慨豐原沒有一棟具有國際視野的住宅建築,如今終於不必羡慕台北或台中,能夠衣錦榮歸落籍市中心,或撫慰打拼事業的辛勞,或當成榮耀家族的象徵,畢竟豐原最高豪宅的殊榮,比起台中七期有過之而無不及,足以當成獨一無二的傳家寶。

交通與產業雙加持,豐原市中心指標建案上看5字頭

尤其時值豐原正在持續蛻變進化,像是機械產業鏈上中下游完整的豐洲科技工業園區,將進一步升級為智慧機械園區,再與中科后里園區相輔相成,串聯成高科技產業廊帶,未來有望超車中科與台中工業區,大舉吸引外商投資與科技人才,同時豐富專案二期園區會以「前店後廠」模式,推動運動與創新產業落地,勢必替本來就相當活絡的豐原經濟發展,扎穩未來長遠的競爭優勢。

有了地段、交通、產業助攻,豐原市區房市增值潛力無法擋,直接受惠於就業人口紅利帶動的購屋需求,目前市場預估「大宅豐鼎」在以七期DNA打造豐原地標的願景下,房價可望站上5字頭,預見將成為層峰菁英鎖定入主的優先標的。

13豐洲工業區
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豐洲科技工業園區將升級為智慧機械園區,可望與中科后里園區串聯成高科技產業聚落,吸引更多投資與人才,替豐原房市再添柴火。
16后科園區
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隨著國道四號豐原潭子段即將通車,加上多家科技大廠搶進中科后里園區設廠,在交通與產業雙助攻下,豐原房價繼續水漲船高。