刚刚,诺贝尔物理学奖揭晓!他们开启了宇宙学研究的新时代

OPEN编辑 1周前

  2019 年 10 月 8 日,天文物理学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)、米歇尔·梅厄(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)共享了今年的诺贝尔物理学奖。其中,皮伯斯获奖理由是物理宇宙学的理论研究,而后两位科学家因发现首个围绕类日恒星运行的系外行星而获奖。

  詹姆斯·皮布尔斯

  詹姆斯·皮布尔斯 1935 年 4 月 25 日出生于加拿大的温尼伯,加拿大-美国物理学家和理论宇宙学家,普林斯顿大学阿尔贝特·爱因斯坦荣誉科学教授。

  皮布尔斯是研究宇宙微波背景辐射的专家。早期宇宙是极高温度和极高密度的均匀气体——当时其实宇宙早期的气体并不是完全均匀的——但是,总之,随着宇宙的膨胀,尺度因子变大,早期宇宙的温度就反比例地降低了,为什么是反比例降低呢?

  因为宇宙的尺度因子和光子波长成正比,随着宇宙的膨胀,尺度因子变大。因此光子波长正比例变长。同时因为波长和频率的乘积是光速,是一个常数,所以光子的频率与宇宙的尺度因子成反比。这就是宇宙学红移将引起光子的能量变低。能量在热力学上是波尔兹曼常数和温度的乘积,能量同时与光子频率成正比,所以光子的频率应该与温度成正比。所以总的结果是,尺度因子应该与温度成反比。

  一开始,宇宙中是一堆氢离子和氦离子以及电子组成等离子气体,并没有自由光子。在高中物理中,我们知道,氢原子的最低能级是-13.6 电子伏特,所以,只要存在能量超过 13.6ev 的光子气体,氢原子里的电子就会被光子打出来,成为离子状态。这个时候的光子是不自由的,经常与电子碰撞,它们不能跑出来——这就好像一个电影明星穿过一个菜市场,大家都找她签名,明星是不自由的,根本跑不出那个菜市场。

  当宇宙的温度降低到退耦温度(T=0.26eV,相当于 3000K)以下时,质子与电子才会结合起来生成氢原子。当大多数自由电子被质子俘获后,光子就可以自由地在宇宙中传播,即宇宙对光子变得透明了——这发生在宇宙大爆炸的 38 万年以后。这就是我们能够观察到的宇宙中最早也是最古老的光,它携带了宇宙大爆炸后遗留下来的信息。由于宇宙学红移,现在观察到大爆炸后遗留下来光子频率的极大值已经移动到了微波波段,这就是宇宙微波背景辐射被发现的历史故事。

  1965 年,贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊意外地发现了宇宙最早的光。他们在波长为 7.35 厘米的长波段发现了温度为 3.5K 的不明信号——这个温度是根据电子学里的纳奎斯特定理估计出来的。这个信号非常特别,就是无论你如何改进探测仪器,它永远如影随形,不可消除。这个信号甚至与时间无关,与空间无关。也就是说,在任何季节,这个信号存在,在天空的任何方向,这个信号也存在。

  作为工程师,彭齐亚斯和威尔逊完全不懂宇宙学,他们刚开始以为,这事情真是见鬼了,他们甚至清除了微波天线上的鸽子粪,但这个神秘信号依然存在。于是他们把观测结果写了一个 1000 字的文章发表出去了,意思在排除了微波天线上的鸽子粪以后,这些信号依然存在,他们指出这个神秘信号是来自远处的辐射背景。但具体是什么需要得到科学家的解释。普林斯顿大学的科学家迪克和皮布尔斯也在同一期的《天体物理杂志》上详尽地讨论了彭齐亚斯和威尔逊发现的信号的宇宙学意义:这个信号可能来自宇宙大爆炸。

  这项工作解释了宇宙微波背景辐射的本质,开启了一个宇宙学研究的新时代。

  米歇尔·梅厄和迪迪埃·奎洛兹

  1992 年,亚历山大·沃尔兹森(Aleksander Wolszczan)首次发现系外行星,这颗系外行星围绕脉冲星 PSR 1257 运行。3 年后,在日内瓦大学的梅厄和奎洛兹更进一步,他们在《自然》杂志上发表论文,宣布在利用径向速度测量(多普勒光谱)对飞马座 51(51 PEGASI)进行分析的过程中,首次发现围绕主序星运行的系外行星。一周后,加利福尼亚的立克天文台证实了他们的发现。这项发现成为了天文学研究的重要转折点,促进了新的探测仪器的发展,以及促进了对行星形成和演化的理解。此后天文学家开始接受巨行星可以存在于短周期轨道的事实。这项发现使得更多的天文望远镜开始参与系外行星的搜寻。目前,人类发现的系外行星数量已经有 4000 多颗。

  米歇尔·梅厄(Michel Mayor)生于 1942 年 1 月 12 日,他是日内瓦大学天文学系的天体物理学家和荣誉教授。已经于 2007 年正式退休,但之后仍在日内瓦天文台担任研究员。他是 2010 年维克托·汉巴久缅国际奖的共同获奖者,以及 2015 年京都奖的获得者。梅厄拥有洛桑大学的物理学硕士学位(1966)和日内瓦天文台的天文学博士学位(1971)。

  迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)是瑞士天文学家,1995 年在瑞士日内瓦大学获得博士学位,当时他和博士导师沃尔兹森一起发现了第一颗围绕主序星的系外行星。随后,奎洛兹教授参与了一系列精密摄谱仪的研发,大大提高了多普勒技术的精度。2013 年,他获得剑桥大学教授,对宇宙中系外行星的形成、结构和宜居性进行深入的研究。2017 年,奎洛兹获得沃尔夫物理学奖。