2019诺贝尔物理奖得主:理论宇宙学、太阳与恒星学贡献

吉姆·皮布尔斯 (图片来源：Wikipedia)

微波背景辐射 (CMB)
图片来源：Wikipedia

 

上图为宇宙大爆炸至今的图示，由大膨胀 (inflation) 时期到黑暗时期 (dark age) 到我们现在膨胀中的宇宙。宇宙再大爆炸时又热、密度又高，到了爆炸后的四十万年后最开始的辐射终于开始在宇宙中传播。这样的辐射在今天的宇宙中还是存在，而许多宇宙的祕密也被加密在这样的辐射中。James Peebles 就是用了这样的理论模型预测了宇宙的形状和其所蕴含的物质和能量 (左下图)，而这个预测与之后观测到的现象非常吻合。左下图的曲线显示背景辐射震盪幅度与测量角度大小关係，第(1)个峰值区表示宇宙是平坦地，第(2)个峰值区则是显示我们所知的物质只佔了这个宇宙裡的物质和能量的 5% 而已，第三个则是指有 26% 的宇宙是由暗物质组成。换句话说这两个物质的部份只佔了 31%，所以必须有 69% 是暗能量才有办法形成平坦地宇宙。
图片来源：Noble Prize Website (Photo credit: The Royal Swedish Academy of Science)

皮布尔斯从1960年代中期开始思考宇宙的组成及演化的相关理论，经历了二十多年他所发的理论框架是我们对从大爆炸到今天的宇宙历史的理解基础。皮布尔斯的发现使我们对宇宙环境有了更深入的了解，其中已知物质仅佔宇宙中所有物质和能量的5％。其馀的95％对是所谓的暗物质及暗能量。这是近代物理中的一个谜，也是一个挑战！

过去的五十年是宇宙学的黄金时代—研究宇宙起源和演化。在1960年代，皮布尔斯决定性发现将宇宙学牢牢地置于科学地图上，奠定了将宇宙学从推测转变为科学的基础的一部分。他的第一本书《物理宇宙学》(出版于1971年) 启发了新一代的物理学家纷纷投入宇宙学在理论上或者是实验观测上的研究领域。除了科学以外，没有其他的东西可以回答我们生命的起源以及生命的演化等问题，宇宙学的发展摆脱了诸如信仰等之类的观点，回应了上世纪初爱因斯坦所说的话话「即世界的奥秘在于其可理解性。」

直到最近一百年，宇宙演化的科学叙述才渐渐为人所知。在此之前，宇宙被认为是静止和永恆的，但是在1920年代，天文学家发现所有星系一直都在远离，也就是宇宙在膨胀。因此，现在我们知道今天的宇宙与昨天的宇宙不同，而明天的宇宙也将不同。

爱因斯坦从1916年开始的广义相对论已经预言了天文学家在太空中所看到的一切，所以广义相对论也成为所有与宇宙相关的大规模计算的基础。爱因斯坦发现该理论得出的结论是当空间在膨胀时，必须要在方程式中添加一个宇宙常数去抵消重力的影响并使宇宙静止不动。但在十多年后，透过观察到宇宙膨胀的现象时，人类认为并不需要加入宇宙常数，这是爱因斯坦认为这是他一生中最大的错误。然而，爱因斯坦猜想不到宇宙常数会在皮布尔斯的贡献下，于1980年代重返宇宙学。

宇宙的膨胀意味著它曾经更密集，温度更高。在20世纪中叶，宇宙的诞生被称为“大爆炸”。没有人知道一开始的实际情况，但是早期的宇宙就是一碗由很热且不透明粒子所组成的浓汤，而一些光粒子会在附近弹跳著。

宇宙膨胀花了将近40万年的时间来将这碗热腾腾的汤冷却到几千摄氏度。这些原处在汤中的不透明粒子可以相互结合，形成主要由氢和氦原子所组成的透明气体。因此，光子开始可以自由移动，光得以在太空中传播。这些第一缕光线仍然充满了宇宙。空间的扩展拉伸了可见光波，因此最终进入了波长为几毫米微波范围。

1964年，两位美国射电天文学家 (1978年诺贝尔奖获得者亚诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊) 偶然抓住了宇宙诞生的光芒。然而，他们无法摆脱天线从太空各处侦测到的恆定“噪声”，因此他们两位在其他研究人员的研究中寻求解释，其中包括本届2019年诺贝尔物理奖得主皮布尔斯，他们对这种无处不在的背景辐射进行了理论计算。在将近140亿年之后，宇宙的温度已下降到接近零的绝对值 (–273°C)。皮布尔斯意识到辐射的温度可以提供有关在大爆炸中产生多少物质的信息，并理解这种光的释放对于物质后来聚结成我们在太空中所看见星系和星团有著关键的决定性。

微波辐射的发现开启了现代宇宙学的新纪元。宇宙起源所产生的古老辐射变成了科学上的宝藏，它包含了几乎所有宇宙学家想要知道的一切的答案。宇宙多大了？它的命运是什么？存在多少物质和能量？

之后，皮布尔斯以惊人的精确度能够预测背景辐射的变化，并展示它们如何影响宇宙中的物质和能量。第一个重大的观测发生在1992年4月，当时美国COBE卫星项目的主要研究人员展示了宇宙中第一束光线的图像 (2006年诺贝尔物理学奖获得者John Mather和George Smoot)。其他卫星，例如美国WMAP和欧洲Planck，逐渐完善了这幅年轻宇宙的肖像。恰如所料。随著精度的提高，对宇宙中所含物质和能量的理论计算得到了证实，其中大多数 (95％) 对我们是不可见的。

自1930年代以来，我们知道我们所看到的宇宙并不是全部。测量星系旋转速度显示出星系必须通过重力与不可见物质保持在一起，否则它们将被撕裂；这种暗物质在星系的起源中扮演重要角色。

暗物质的组成仍然是宇宙学最大的谜团之一。长期以来，科学家一直相信，已知的中微子可能构成这种暗物质，但是为数众多的低质量中微子以几乎光速穿越空间，由于其速度太快终将无法将物质凝聚在一起。所以，取而代之的是，在1982年皮布尔斯所提出了由重而慢粒子所组成冷的暗物质。我们仍在寻找冷暗物质的这些未知粒子，这些粒子避免与已知物质相互作用，并佔宇宙的26％。

宇宙背景辐射的测量以及理论提供了一个明确的答案-宇宙是平坦的  (如同爱因斯坦广义相对论中所提及)。但是，它所包含的物质仅只有临界值的31％，其中5％是普通物质，而26％是暗物质；但69％呢？ James Peebles再次提供了一个想法。 1984年，他为恢复爱因斯坦的宇宙常数 (即空旷空间的能量，这些能量也被称作暗能量) 的贡献，也就是那69％。除了冷暗物质和普通物质，暗能量足以支持平坦宇宙的想法。

直到1998年观察到宇宙加速膨胀之前 (2011年诺贝尔物理学奖获得者Saul Perlmutter，Brian Schmidt和Adam Riess)，暗能量仍然只是理论。现在，暗物质和暗能量都已成为宇宙学中最大的谜团。它们只能透过对周围环境的影响来让自己被知道。否则，对它们知之甚少。宇宙的阴暗面隐藏著什么秘密？未知背后隐藏著什么新的物理学？在解决空间奥秘的尝试中，我们还会发现什么？这些都将是有趣的问题。

            

瑞士日内瓦大学的荣誉教授麦耶和英国剑桥大学教授奎洛兹在 1995 年一起发表了围绕著非太阳之恆星的太阳系外行星这个大发现。这个观测是用了他们自製的仪器发现了一个类木行星 ー 飞马座51b (51 Pegasi b)。而这个发现造成了一个天文界的风潮，许多团队也开始发现类似的系外行星，到了今天已经发现银河系裡有超过 4,000 个系外行星了。
 

星图
图片来源：Noble Prize Website (Photo credit: The Royal Swedish Academy of Science)

若要找太阳系外的行星，可以太阳系内的行星当作范本，以木星为例，质量大约是太阳的千分之一，木星表面主要的光源是来自反射的太阳光，在可见光波段，木星比太阳暗了将近十亿倍。不仅如此，我们在遥望太阳系以外的恆星系统，在亮度相差了9个数量级的状况下，行星和母恆星靠在一起，几乎很难从中分辨出行星的踪迹，就好像在台湾北部遥望鹅銮鼻灯塔旁的萤火虫，这也难怪要到1995年才有第一个确认的系外行星。（本段文字节录自「寻找系外行星的方法」）

两个天体之间的万有引力可以让它们绕著共同的质量中心运转，这个质量中心的位置和双方的质量比值有关，是偏向质量较大的一方。 既然系外行星无法直接看到，天文学家改弦易辙，观测的目标转向当中的母恆星。我们可以藉由都卜勒效应，获得恆星绕著质量中心晃动的公转速度变化，进而推测系外行星的存在。但从1970年代末就发展出搜寻系外行星的技术也就是藉由恆星的都卜勒效应寻找木星质量的系外行星，结果一无所获。（本段文字节录自「寻找系外行星的方法」）

都卜勒光谱学 用径向速度法找寻行星。行星绕行时产生的重力场也会影响到恆星的运动模式，而这从地球上观测时会发先恆星会一直前后摇晃。这个摇晃的速率，也就是径向速度，可以透过都普勒效应造成的红、蓝位移侦测到。
图片来源：Noble Prize Website (Photo credit: The Royal Swedish Academy of Science)

1995年10月，瑞士天文学家米歇尔·麦耶在一场国际会议当中发表了惊人的成果米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹探索了银河系，寻找未知的世界。 当时迪迪埃·奎洛兹是米歇尔·麦耶的学生 (在同年获得University of Geneva的博士学位)。米歇尔·麦耶原本有一个142颗类太阳恆星的清单，这些恆星的周围看不出有伴星，于是他想针对这些恆星，找找是否有很低质量的伴星，或者是较大的气体状行星。米歇尔·麦耶与迪迪埃·奎洛兹从1994年四月开始用都卜勒效应来测量恆星的径向速度并进行观测，到了10月，观测的对象是一颗类太阳恆星飞马座51 (51 Pegasi)，他们发现飞马座51有晃动的迹象，并在 1995年11月《自然》杂志上发表了在类太阳恆星附近找到的第一颗类似木星的系外行星。（本段文字节录自「寻找系外行星的方法」）

系外行星的首次发现引发了天文学的一场革命。数以千计的未知新世界被揭露。现在不仅可以通过地球上的望远镜发现新的行星系统，还可以通过卫星发现它们。美国太空望远镜TESS目前正在搜寻距离我们最近的200,000颗恆星，以搜寻类似地球的行星。

迄今为止发现的系外行星以惊人的形式，大小和运行轨道都使世人感到惊讶。他们挑战了我们关于行星系统的先入为主的观念，并迫使研究人员修改了有关造成行星诞生的物理过程的理论。随著计划中的多个项目开始寻找系外行星，我们最终可能会找到一个永恆的问题的答案，那就是是否还有其他生命。

在我们所处的银河系裡太阳只是这几亿个恆星之一，而大多数的恆星应该都会有行星围绕著。到目前为止天文学家已经已经发现了超过 4,000 个绕著其他恆星转的行星，目前天文学家们持续在最靠近我们的区域找寻是否还有其他外系行星。
图片来源：Noble Prize Website (Photo credit: The Royal Swedish Academy of Science)

今年的获奖者改变了我们对宇宙的看法。吉姆·皮布尔斯的理论发现有助于我们理解大爆炸之后宇宙的演变；米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹探索了我们探索宇宙中的未知行星。他们的发现永远改变了我们对世界的观念。