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墨尔本胜利队实力: 環球科學:剛剛,諾貝爾物理學獎揭曉!他們開啟了宇宙學研究的新時代

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發表于 2019-10-9 09:21:30 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
  2019年10月8日,天文物理學家詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles)、米歇爾·梅厄(Michel Mayor)和迪迪?!た遄齲―idier Queloz)共享了今年的諾貝爾物理學獎。其中,皮伯斯獲獎理由是物理宇宙學的理論研究,而后兩位科學家因發現首個圍繞類日恒星運行的系外行星而獲獎。

  詹姆斯·皮布爾斯

  詹姆斯·皮布爾斯1935年4月25日出生于加拿大的溫尼伯,加拿大-美國物理學家和理論宇宙學家,普林斯頓大學阿爾貝特·愛因斯坦榮譽科學教授。

  皮布爾斯是研究宇宙微波背景輻射的專家。早期宇宙是極高溫度和極高密度的均勻氣體——當然其實宇宙早期的氣體并不是完全均勻的——但是,總之,隨著宇宙的膨脹,尺度因子變大,早期宇宙的溫度就反比例地降低了,為什么是反比例降低呢?

  因為宇宙的尺度因子和光子波長成正比,隨著宇宙的膨脹,尺度因子變大。因此光子波長正比例變長。同時因為波長和頻率的乘積是光速,是一個常數,所以光子的頻率與宇宙的尺度因子成反比。這就是宇宙學紅移將引起光子的能量變低。能量在熱力學上是波爾茲曼常數和溫度的乘積,能量同時與光子頻率成正比,所以光子的頻率應該與溫度成正比。所以總的結果是,尺度因子應該與溫度成反比。

  一開始,宇宙中是一堆氫離子和氦離子以及電子組成等離子氣體,并沒有自由光子。在高中物理中,我們知道,氫原子的最低能級是-13.6電子伏特,所以,只要存在能量超過13.6ev的光子氣體,氫原子里的電子就會被光子打出來,成為離子狀態。這個時候的光子是不自由的,經常與電子碰撞,它們不能跑出來——這就好像一個電影明星穿過一個菜市場,大家都找她簽名,明星是不自由的,根本跑不出那個菜市場。

  當宇宙的溫度降低到退耦溫度(T=0.26eV,相當于3000K)以下時,質子與電子才會結合起來生成氫原子。當大多數自由電子被質子俘獲后,光子就可以自由地在宇宙中傳播,即宇宙對光子變得透明了——這發生在宇宙大爆炸的38萬年以后。這就是我們能夠觀察到的宇宙中最早也是最古老的光,它攜帶了宇宙大爆炸后遺留下來的信息。由于宇宙學紅移,現在觀察到大爆炸后遺留下來光子頻率的極大值已經移 動到了微波波段,這就是宇宙微波背景輻射被發現的歷史故事。

  1965年,貝爾實驗室的工程師彭齊亞斯和威爾遜意外地發現了宇宙最早的光。他們在波長為7.35厘米的長波段發現了溫度為3.5K的不明信號——這個溫度是根據電子學里的納奎斯特定理估計出來的。這個信號非常特別,就是無論你如何改進探測儀器,它永遠如影隨形,不可消除。這個信號甚至與時間無關,與空間無關。也就是說,在任何季節,這個信號存在,在天空的任何方向,這個信號也存在。

  作為工程師,彭齊亞斯和威爾遜完全不懂宇宙學,他們剛開始以為,這事情真是見鬼了,他們甚至清除了微波天線上的鴿子糞,但這個神秘信號依然存在。于是他們把觀測結果寫了一個1000字的文章發表出去了,意思在排除了微波天線上的鴿子糞以后,這些信號依然存在,他們指出這個神秘信號是來自遠處的輻射背景。但具體是什么需要得到科學家的解釋。普林斯頓大學的科學家迪克和皮布爾斯也在同一期的《天體物理雜志》上詳盡地討論了彭齊亞斯和威爾遜發現的信號的宇宙學意義:這個信號可能來自宇宙大爆炸。

  這項工作解釋了宇宙微波背景輻射的本質,開啟了一個宇宙學研究的新時代。

  米歇爾·梅厄和迪迪?!た遄?br />
  1992年,亞歷山大·沃爾茲森(Aleksander Wolszczan)首次發現系外行星,這顆系外行星圍繞脈沖星PSR 1257運行。3年后,在日內瓦大學的梅厄和奎洛茲更進一步,他們在《自然》雜志上發表論文,宣布在利用徑向速度測量(多普勒光譜)對飛馬座51(51 PEGASI)進行分析的過程中,首次發現圍繞主序星運行的系外行星。一周后,加利福尼亞的立克天文臺證實了他們的發現。這項發現成為了天文學研究的重要轉折點,促進了新的探測儀器的發展,以及促進了對行星形成和演化的理解。此后天文學家開始接受巨行星可以存在于短周期軌道的事實。這項發現使得更多的天文望遠鏡開始參與系外行星的搜尋。目前,人類發現的系外行星數量已經有4000多顆。

  米歇爾·梅厄(Michel Mayor)生于1942年1月12日,他是日內瓦大學天文學系的天體物理學家和榮譽教授。已經于2007年正式退休,但之后仍在日內瓦天文臺擔任研究員。他是2010年維克托·漢巴久緬國際獎的共同獲獎者,以及2015年京都獎的獲得者。梅厄擁有洛桑大學的物理學碩士學位(1966)和日內瓦天文臺的天文學博士學位(1971)。

  迪迪?!た遄齲―idier Queloz)是瑞士天文學家,1995年在瑞士日內瓦大學獲得博士學位,當時他和博士導師梅厄一起發現了第一顆圍繞主序星的系外行星。隨后,奎洛茲教授參與了一系列精密攝譜儀的研發,大大提高了多普勒技術的精度。2013年,他成為劍橋大學教授,對宇宙中系外行星的形成、結構和宜居性進行深入的研究。2017年,奎洛茲獲得沃爾夫物理學獎。

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