2019年度诺贝尔物理学奖：理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置

发布时间：2021-11-12 12:05

　　2019年度的诺贝尔物理学奖授予了三位天文学家,以表彰他们使我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置方面的贡献。其中,美国普林斯顿大学的宇宙学家皮布尔斯（P. J. E. Peebles）获得一半奖金,以奖励他在物理宇宙学中的理论发现;瑞士日内瓦大学的马约尔（Michel Mayor）和瑞士日内瓦大学及英国剑桥大学的奎洛兹（Didier Queloz）分享了另一半奖金,以奖励他们发现一颗环绕类似太阳的恒星的行星。文章介绍这几位学者的科学贡献。 

【文章来源】：自然杂志. 2019,41(06)

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

彭齐亚斯和威尔逊在他们的天线前

皮布尔斯和其他一些学者也开始研究当物质密度分布不完全均匀时，这些密度扰动如何演化，以及它们所导致的宇宙微波背景辐射温度各向异性。皮布尔斯和他的一个来自香港的留学生Jer-Tsang Yu(虞哲奘，后来回香港城市大学工作，未再做宇宙学研究)首次编制了定量计算宇宙微波背景辐射各向异性的程序。他也预测了宇宙大爆炸时随机的密度扰动将激发声波振荡，那些在大爆炸结束的时刻正振荡到最大值的扰动将会在特定尺度的宇宙微波背景辐射中留下印记。尽管在当年这些效应看上去都非常微小，但经过多年的发展，现在精密测量的宇宙微波背景辐射角功率谱(图3)中可以清晰地看到这些振荡峰。皮布尔斯当年的理论研究成为今日精密宇宙学的基础。皮布尔斯喜爱给学生上课，当时他也开设宇宙学课程，并在课程中讲授宇宙学方面的最新研究成果。惠勒鼓励皮布尔斯把他的讲义写成书，为此惠勒专门来旁听皮布尔斯的课程，并仔细地写下笔记，一学期课程结束后把他记下的字迹工整的笔记送给皮布尔斯。在惠勒的鼓励下，皮布尔斯写出了他影响巨大的《物理宇宙学》一书，并于1971年出版(1993年扩充为《物理宇宙学原理》)。与早期仅仅从广义相对论角度讨论宇宙学的著作(比如《经典场论》)不同，《物理宇宙学》讨论了物质、辐射等具体物理演化过程，以及元素丰度、宇宙微波背景辐射、大尺度结构等可观测量，宇宙学的骨架上现在有了血肉。

皮布尔斯与Ostriker的一项研究对于暗物质被广泛接受也有非常重要的作用。他们使用计算机，进行了N体模拟(图5)：用一些粒子代表物质，假定它们之间仅存在引力相互作用，看看如何演化。他们发现，按照观测到的银河系参数设置的盘状星系并不稳定，很快就会从盘状演化成棒状。要使星系具有稳定性，必须假定在盘之外还存在着呈球状分布的暗物质，也就是所谓暗物质晕。暗物质被接受后，人们开始研究暗物质情况下的星系形成模型。泽多维奇提出了中微子作为暗物质的候选者。但是，由于中微子质量很轻，在宇宙早期它们运动速度很快，这样它们会把小尺度的原初扰动抹平。因此，在这种所谓热暗物质模型里，首先形成的是一些非常巨大的结构，然后这些再分裂成星系。但是，这种星系演化图景与观测差别太大。皮布尔斯则提出了一种基于缓慢运动粒子的冷暗物质模型。在这种模型里，小的结构首先形成，进而逐渐并合成大的结构，与观测到的星系形成过程比较一致。如果选取合适的参数，甚至在定量上也和观测符合得比较好。根据大尺度结构的观测数据，可以反推宇宙大爆炸时不均匀的程度，皮布尔斯预测宇宙微波背景辐射应该有十万分之一量级的大尺度不均匀性，这果然被实验证实了。


本文编号：3490880