三位天体物理学家揭示宇宙结构赢得2019年诺贝尔奖

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图:出现在宇宙微波背景(CMB)中的密度波动,取决于宇宙诞生的条件以及我们宇宙的物质和能量含量。这些早期的波动为现代宇宙结构形成种子,包括恒星、星系、星系团、细丝和大规模宇宙空隙。大爆炸的最初光与我们今天看到的星系和星系团的大规模构造之间的联系,是我们为吉姆·皮布尔斯提出的宇宙演化理论提供的一些最佳证据。 每年,诺贝尔奖都会提醒全人类去欣赏我们在科学上所取得的一切成就,并意识到新发现的知识是如何影响我们这个物种的。对一个科学家来说,这可能是一种挫败感锻炼,因为它提醒我们,在他们学科的任何一个分支领域,都有几十个项目的研究是重要的和有影响的,足以值得获得诺贝尔奖,但每个奖项只能有三个人获得诺贝尔奖。

今年的物理学奖颁给了三个人-吉姆·皮布尔斯(Jim Peebles),米歇尔·马约尔(Michel Mayor)和迪迪尔·奎洛兹(Didier Queloz),以表彰他们在理论宇宙学和系外行星方面的发现。

图:星系NGC 7331和更小,更遥远的星系。我们看得越远,我们看到的时间越早。如果我们回到足够远的地方,我们最终将到达一个没有星系形成的地方。了解我们的宇宙是由什么构成的,以及它是如何演变成今天的方式的,这是一个巨大的生存问题,但科学的回答是前所未有的。 当你描绘宇宙时,你可能会开始思考单个天体,如恒星和星系,它们位于彼此相对的太空中,以及这些天体今天在做什么。这种思想具有很大的科学价值,许多顶尖的研究人员正是研究这些课题的。

但是,我们不必将自己局限于单个对象,也不必将自己限制在我们现在看到的各种对象所做的事情上。我们可以在更大的尺度上思考。我们可以思考宇宙中一切事物的起源、进化和成长,从最小的宇宙膨胀到整个可观测宇宙的规模,甚至超出这个范围。

图:在膨胀过程中发生的量子波动在宇宙中扩展,当膨胀结束时,它们变成密度波动。 随着时间的流逝,这导致了当今大规模宇宙结构以及CMB中观察到的温度波动。 这些种子涨落引起的结构成长,以及它们在宇宙功率谱上的印记以及CMB的温度差,可用于确定我们宇宙的各种特性。吉姆·皮布尔斯(Jim )为整个物理宇宙学领域奠定了基础。 我们对宇宙的理解在20世纪发生了巨大的变化。作为一个物种,我们终于开始了解驱动整个宇宙的物理学和天体物理学。几千年来,人类一直在思考关于宇宙的最大问题:

怎么开始的? 它的规则是什么? 面有什么? 它内部的各种天体和结构是如何产生、发展、演变和出现的? 我们最重要的科学成就之一就是提供答案(科学上有效,可靠,但始终只是临时答案),这些答案赋予我们预测能力。 我们的观察结果与我们的理论预测相符,并且证实并验证了我们过去一个世纪合成的最佳图像。

图:对数尺度上,附近的宇宙有太阳系和银河系。但远远不止于宇宙中的所有其他星系,大规模的宇宙网,以及紧随大爆炸本身的时刻。虽然我们不能比这个宇宙地平线更远,这个地平线目前距离461亿光年,但未来将会有更多的宇宙向我们展示自己。可观测的宇宙今天包含2万亿个星系,但随着时间的流逝,更多的宇宙将变得可以观测到我们,也许揭示出一些今天我们模糊不清的宇宙真理。 大约在138亿年前,宇宙膨胀处于时期,时空结构是空的,但充满了空间本身固有的能量。然后在某个特定的时刻,宇宙膨胀结束了,将这种能量转化为物质、反物质和辐射,并引发了大爆炸。众所周知,我们的宇宙起源于这种状态,并且诞生时充满了暗物质,暗能量以及微小的密度和温度缺陷,与完美均匀的宇宙相差约30,000分之一。

宇宙是由控制物质的量子物理学定律、控制时空曲率和演化的引力所支配,膨胀、冷却并被引力作用,形成了一个充满光和重元素的宇宙,这里有恒星,星系,星系团,宇宙等等,也是一个剩余辐射浴场。

图:从指导认识宇宙的框架和规则来看,我们对整个宇宙历史在理论上是被理解的。只有通过观察确认并揭示宇宙过去的各个阶段,例如何时形成第一批元素,何时原子变为中性,何时第一批恒星和星系形成以及宇宙如何随着时间扩展,我们可以真正了解是什么构成我们的宇宙,以及它是如何以定量的方式扩展和吸引。 在炙热的大爆炸之前,从宇宙膨胀在宇宙中留下的遗物印记,使我们能够以独特的方式探测我们的宇宙历史,但要遵守所有框架所具有的相同基本限制。 这是我们今天所知道的事实,但在20世纪60年代早期,这一框架中只存在最基本的部分,不仅膨胀、暗物质或暗能量还没有成为事实的一部分,而且大爆炸只是关于宇宙起源的几个相互竞争的观点之一。我们知道广义相对论是多么成功,但我们仍在研究核力量的细节。我们甚至不知道宇宙中的粒子含量。

通过将物理定律应用于整个宇宙的系统,皮布尔斯开始研究宇宙在早期阶段会是什么样子的细节,以及这些细节如何随着时间的推移而演变,从而产生我们今天可以寻找的可见特征。在历史上的一个关键时刻,他开始研究理论上的细节,以便进行观察验证。

图:模拟(红色)和星系测量(蓝色/紫色)都显示相同的大规模聚类模式,即使您查看数学细节也是如此。 宇宙,尤其是在较小尺度上的宇宙,并不是完全均匀的,但是在较大尺度上,同质性和各向同性是一个很好的假设,其精度要高于99.99%。 宇宙诞生时的微小、最初的缺陷会试图从它们诞生的那一刻起就以引力方式增长,但在早期、炎热、稠密的宇宙中,强烈的辐射压力使结构在太小的尺度上变得平滑。相反,粒子和反粒子碰撞,把任何复杂的结构炸开,最终随着宇宙的膨胀和冷却而湮灭。

但随着宇宙的膨胀和冷却,越来越多的事情成为可能。质子和中子可以熔合成原子核,我们可以利用物理定律,计算出不同元素和同位素的比例,然后观察宇宙来检验它。随着宇宙的进一步冷却,中性原子可以稳定地形成,所有的辐射(由湮灭产生的)都应该自由地流过中性宇宙,呈现出一个只比绝对零度高出几度的遗留黑体信号的可观测特征:宇宙微波背景。

图:这些声学峰的相对高度和位置,来自宇宙微波背景的数据,与由68%暗能量、27%暗物质和5%正常物质构成的宇宙完全一致。这个框架(和其他详细的预测)是由吉姆·皮布尔斯开发的。 最后,当物质吸引其他物质并开始在所有尺度上崩塌时,引力增长终将发生。随着宇宙网的成长,它被膨胀的物理效应所抵消,只有足够稠密的区域才能尽快成长为结构。然后,这些信号也应该出现在宇宙微波背景的详细波动中;这些信号最终被宇宙背景探测器、威尔金森微波各向异性探测器和普朗克等卫星所证实。

尽管在该领域有许多重要的贡献者,但从历史上看,有两个杰出的人物是将宇宙学转变为具有精确数据的硬科学的先驱者:吉姆·皮布尔斯(Jim Peebles)和已故的苏联物理学家雅可夫·泽尔多维奇(Yakov Zeldovich)。这两个人(独立地)导出并应用于我们现实宇宙的理论框架,该框架是几乎所有现代宇宙论的基础。

泽尔多维奇于1987年逝世,所以皮布尔斯的领域成就,诺贝尔奖的一半非常般配。

图:我们宇宙历史的标准宇宙时间线。 直到大爆炸之后的92亿年,我们的地球才开始存在,这需要很多代的恒星不断地湮灭和演化,然后才能形成具有岩石核和金属核的行星。 但是,今天的宇宙应该充满系外行星的恒星,它们的形式和分布迫使我们重新评估行星系统的形成和演化。 从宇宙尺度到太阳系尺度,我们需要经历数十亿年的宇宙演化。 恒星生存,死亡和爆炸,将它们现在融合的元素循环利用到下一代恒星中。 当足够多的世代过去,并且在恒星形成区域中发现的物质中含有足够多的重元素时,恒星就可以与它周围的大行星一起形成。

这些行星应该有完整的金属和/或岩石核心,就像我们太阳系中的所有行星一样。它们应该以椭圆为轨道绕母恒星运行,受引力定律的制约,并对它们所绕恒星的光谱产生可观测的影响。引力行星拖拽会周期性地使恒星红移和蓝移,而与恒星对地球的视线一致的行星则会在其前方凌日,阻挡其一部分光线。

图:当一颗行星围绕其母星运行时,恒星和行星都将围绕其共同的质量中心在椭圆轨道中运行。沿着我们的视线,恒星似乎以振荡的方式移动:朝我们移动(并调整其浅蓝色移位),然后它远离我们(并看到相应的红移)。1995年,这种方法使我们获得了第一颗环绕太阳类恒星的系外行星。 三十年前,人们只知道太阳周围有行星。不过,不久之后,技术发展到这样的程度,即恒星光谱线从“来回摆动”的偏移会在对该恒星的长期观测中显示出来。 1988年首次进行有争议的探测,1992年首次对脉冲星周围的行星(一种死星)进行了无争议的探测,但都没有像下一次巨大飞跃那样开创性的预示着系外行星。

第一颗围绕着一颗“正常”(太阳状)恒星的“正常”行星出现在1995年,这是米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹(didier queloz)共同获得今年诺贝尔奖的另一半。马约尔和奎洛斯的著作一出版,系外行星就风靡一时。这种恒星摆动的方法后来被其他技术如直接成像、微透镜和行星凌日等所增强,迄今为止已证实的系外行星总数超过4000颗。随着TESS太空望远镜地升空使用,越来越多的太空望远镜出现在地球的上空,这个领域比以往任何时候都更丰富。

图:今天,我们知道有4,000多个已确认的系外行星,其中有2500多个在开普勒数据中找到。 这些行星的大小从大于木星到小于地球。 但是由于开普勒的大小和任务的持续时间的限制,发现的大多数行星都非常热并且靠近它们的恒星,并且角间隔很小。 TESS望远镜所发现的第一批行星也存在相同的问题:它们优先处于高温且轨道紧密区域。 只有通过长期的专门观测(或直接成像),我们才能探测到周期较长(即多年)的行星。 新的天文台已经面世,应该会为我们揭示更多新世界。 这次诺贝尔奖也以优雅的方式处理了许多争议而著称。 从事系外行星和大规模宇宙学研究的科学家经常相互竞争以寻求资金和资源,但他们会经常共享具有类似技术的望远镜,如 红外线巡天望近镜 和詹姆斯·韦伯太空望远镜。 同时授予宇宙学和系外行星诺贝尔奖是这两个分支领域之间的桥梁,可能会鼓励它们在未来执行更多的联合任务。

在类太阳系的恒星周围寻找类地球系统,是一个长时间的任务,要求太空望远镜具有出色的光收集能力和灵敏度。詹姆斯·韦伯望远镜和 红外线巡天望近镜 具备这些能力,目前美国宇航局和欧空局许多探测计划任务都需借助它们来实现。 由于目前只有一小部分宇宙和最近的系外行星被我们发现,在未来的几十年里,这些领域的科学家将把视界推向未知领域。在我们可观测的宇宙中存在的2兆个星系中, 我们可观测的宇宙中存在的2万亿个星系中,有超过90%未被发现;在银河系中,我们目前只对4000个系外行星有所了解,实际上,银河系应该包含数万亿个行星,其中包括数十亿个类似地球的行星。

祝贺2019年诺贝尔物理学奖获得者及其革命性发现。在我们颂扬科学无限创造力同时,愿它能激发我们的求知欲,不断揭示宇宙的未知秘密。

图:2019年诺贝尔物理学奖授予吉姆·皮布尔斯(Jim Peebles)和米歇尔·马约尔(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz),皮布尔斯在物理宇宙学基础上的工作获得了一半诺贝尔奖项,马约尔和奎洛兹在类太阳恒星周围发现了第一颗系外行星,获得另一半诺贝尔奖项。

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