成大物理系邱奕儂助理教授 跨國研究解鎖宇宙暗能量-國立成功大學永續發展SDGs

成大物理系邱奕儂助理教授 跨國研究解鎖宇宙暗能量

SDG9

成大物理系邱奕儂助理教授 跨國研究解鎖宇宙暗能量

Synergy Correlation

文/孟慶慈 圖/陳正明、邱奕儂助理教授及合作團隊

國立成功大學物理系邱奕儂助理教授與德國慕尼黑大學(Ludwig-Maximilians-Universität München)團隊合作,使用國際天文學界X射線和光學兩大巡天計畫 -eROSITA  和  HSC 的相關資料,透過理論和模型對比等研究宇宙暗能量,數據結果顯示,宇宙暗能量的密度在膨脹的宇宙演化中為定值。這將有助於科學家解開宇宙持續加速膨脹的奧秘,為宇宙學研究奠下了重要基礎。團隊研究論文4月6日發表於英國「皇家天文學會 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society,MNRAS」月刊。
宇宙自大爆炸以來持續膨脹,20  世紀末科學家更發現,宇宙膨脹的速度在近期又不斷加速。科學界對加速膨脹的能量稱之為「暗能量」。但要如何來解釋「暗能量」,是現今相關科學領域急欲解開的問題。
 
天文學界已知,暗能量會抑制大型天體的形成,宇宙最大型的天體就是星系團,透過觀測宇宙中星系團的數目,就能反推出暗能量。2019 年德國和俄羅斯合作的太空任務 eROSITA,其前導計畫中的  X  射線巡天計畫(eROSITA Final Equatorial-Depth Survey),共找出 542 個星系團。

邱奕儂助理教授與慕尼黑大學Matthias Klein(馬修·克萊恩)研究員、Sebastian Bocquet(塞巴斯蒂安·博凱)研究員、Joseph Mohr(約瑟夫·莫爾)教授,將 X 射線拍得的 542 星系團影像,與台灣、日本、美國三方合作的昴星團超廣角巡天計畫(Hyper-Suprime –Cam Subaru Strategic Prohram)在同一空域拍得的光學影像進行比對與分析,更藉由重力透鏡的方法,測量了星系團的質量。
 
邱奕儂助理教授表示,這項研究是國際上第一個結合了兩個波段(X射線和光學)大型巡天計畫的資料去進行星系團宇宙學分析。X 射線可以觀測到星系團裡獨特的熱氣體,找到星系團。光學則有高解晰度,可以利用重力透鏡測量星系團的質量。二者結合正好相輔相成。
 
經過理論和模型對比  542 個星系團,結果顯示,宇宙中大約有 76% 的暗能量,其狀態方程式的數值量為 w≈-1.25±0.47。這數據表示暗能量的密度在膨脹的宇宙演化中為定值(常數)。例如,將愛因斯坦方程式加入一個宇宙常數,就可以描述暗能量對宇宙生成的影響。此結果也符合其他獨立的研究(包含重力透鏡和宇宙微波背影輻射),而目前天文學界所有觀測證據也都指向暗能量可以被描述為一個宇宙常數。

邱奕儂助理教授進一步指出,團隊目前研究得出的數值誤差仍大,但國際上取得的星系團樣本只佔了整個天空面積不到 1%(≈140平方度),而未來若有大量的全天空星系團樣本可以進行分析,預料將會大大增進人類對於暗能量的了解。整體而言,研究為未來的星系團宇宙學立下了重要基礎。
 
邱奕儂助理教授,德國慕尼黑大學物理學博士,專長為宇宙學、天文物理學。他自 2019 年開始與德慕尼黑大學合作進行宇宙星系團研究,共發表兩篇第一作者論文,前一篇和本次論文發表的宇宙學研究,皆由他領導和分析所完成。

eFEDS 星系團。左中右圖各表示一個星系團,上排為該星系團 eROSITA 觀測到的X射線影像,下排為其 HSC 觀測到的光學影像,而星系團的名字、紅移、和重量標示在下排。結合X射線(上排)和光學(下排)的優點,可以讓我們更有效率地尋找星系團同時測量其質量。圖片 credit: Dr. Matthias Klein.

星系團的質量(Y軸)對紅移(X軸)。本研究用的eFEDS星系團(黑色圓圈)對比其他計畫的星系團樣本(其他顏色)研究了更廣的質量和紅移範圍。圖片credit: Chiu et al. MNRAS in press (2023)

本次利用 eFEDS 星系團所測量出的暗能量狀態方程式(Y軸)和宇宙中暗物質的比例(X軸)。本研究結果(藍色區塊)和宇宙微波背景輻射(紫色區塊)、星系重力透鏡(青色區塊)、和南極望遠鏡星系團樣本(灰色區塊)的結果相符合,表示暗能量可以由一個宇宙常數(w=-1)所描述,並且暗物質佔據了所有宇宙組成的 25%。圖片 credit: Chiu et al. MNRAS in press(2023)

邱奕儂助理教授跨國合作研究宇宙暗能量

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