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2019 諾貝爾物理獎:瞭解宇宙演化及地球在宇宙中地位的貢獻

2019/10/10 — 14:20

宇宙的初期是什麼樣?接下來宇宙又會發生怎麼樣的變化?是否有其它的星球存並以類似太陽系的方式繞行著其他類似太陽恆星?這些與生命起源相關的基本問題也許2019年的諾貝爾物理獎得主們給了我們一些線索跟答案。

2019 年諾貝爾物理獎在 10 月 8 日台灣時間晚間 5:50 於瑞典斯德哥爾摩公布,今年的瑞典皇家科學院決定將諾貝爾物理獎著重在「對於瞭解宇宙演化及地球在宇宙中地位的貢獻」,其中 ½ 頒給「對理論宇宙學有重大發現」的吉姆·皮布爾斯 (James Peebles)、另外的 ½ 由「發現圍繞太陽型恆星之系外行星」的米歇爾·麥耶 (Michel Mayor) 和迪迪埃·奎洛茲 (Didier Queloz) 平分。

圖/Noble Prize Website (Photo credit: The Royal Swedish Academy of Science)

圖/Noble Prize Website (Photo credit: The Royal Swedish Academy of Science)

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吉姆·皮布爾斯 (圖/Wikipedia )

吉姆·皮布爾斯 (圖/Wikipedia )

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皮布爾斯教授是美國普林斯頓大學的榮譽教授,他提出了許多宇宙學理創新的理論,而這些理論幾乎是奠定了現代宇宙學的基礎。

皮布爾斯教授對於大爆炸理論 (the Big Bang theory) 也有許多重要的貢獻,其中包含宇宙微波背景 (CMB, cosmic microwave background) 與大爆炸理論的關聯性。


微波背景輻射 (CMB) (圖/Wikipedia)

微波背景輻射 (CMB) (圖/Wikipedia)

 

上圖為宇宙大爆炸至今的圖示,由大膨脹 (inflation) 時期到黑暗時期 (dark age) 到我們現在膨脹中的宇宙。宇宙再大爆炸時又熱、密度又高,到了爆炸後的四十萬年後最開始的輻射終於開始在宇宙中傳播。這樣的輻射在今天的宇宙中還是存在,而許多宇宙的祕密也被加密在這樣的輻射中。James Peebles 就是用了這樣的理論模型預測了宇宙的形狀和其所蘊含的物質和能量(左下圖),而這個預測與之後觀測到的現象非常吻合。左下圖的曲線顯示背景輻射震盪幅度與測量角度大小關係,第 (1) 個峰值區表示宇宙是平坦地,第(2)個峰值區則是顯示我們所知的物質只佔了這個宇宙裡的物質和能量的 5% 而已,第三個則是指有 26% 的宇宙是由暗物質組成。換句話說這兩個物質的部份只佔了 31%,所以必須有 69% 是暗能量才有辦法形成平坦地宇宙。 圖/ Noble Prize Website (Photo credit: The Royal Swedish Academy of Science)

上圖為宇宙大爆炸至今的圖示,由大膨脹 (inflation) 時期到黑暗時期 (dark age) 到我們現在膨脹中的宇宙。宇宙再大爆炸時又熱、密度又高,到了爆炸後的四十萬年後最開始的輻射終於開始在宇宙中傳播。這樣的輻射在今天的宇宙中還是存在,而許多宇宙的祕密也被加密在這樣的輻射中。James Peebles 就是用了這樣的理論模型預測了宇宙的形狀和其所蘊含的物質和能量(左下圖),而這個預測與之後觀測到的現象非常吻合。左下圖的曲線顯示背景輻射震盪幅度與測量角度大小關係,第 (1) 個峰值區表示宇宙是平坦地,第(2)個峰值區則是顯示我們所知的物質只佔了這個宇宙裡的物質和能量的 5% 而已,第三個則是指有 26% 的宇宙是由暗物質組成。換句話說這兩個物質的部份只佔了 31%,所以必須有 69% 是暗能量才有辦法形成平坦地宇宙。 圖/ Noble Prize Website (Photo credit: The Royal Swedish Academy of Science)

 

皮布爾斯從 1960 年代中期開始思考宇宙的組成及演化的相關理論,經歷了二十多年他所發的理論框架是我們對從大爆炸到今天的宇宙歷史的理解基礎。皮布爾斯的發現使我們對宇宙環境有了更深入的了解,其中已知物質僅佔宇宙中所有物質和能量的 5% 。其餘的 95% 對是所謂的暗物質及暗能量。這是近代物理中的一個謎,也是一個挑戰!

過去的五十年是宇宙學的黃金時代—研究宇宙起源和演化。在 1960 年代,皮布爾斯決定性發現將宇宙學牢牢地置於科學地圖上,奠定了將宇宙學從推測轉變為科學的基礎的一部分。他的第一本書《物理宇宙學》(出版於 1971 年) 啟發了新一代的物理學家紛紛投入宇宙學在理論上或者是實驗觀測上的研究領域。除了科學以外,沒有其他的東西可以回答我們生命的起源以及生命的演化等問題,宇宙學的發展擺脫了諸如信仰等之類的觀點,回應了上世紀初愛因斯坦所說的話話「即世界的奧秘在於其可理解性。」

直到最近一百年,宇宙演化的科學敘述才漸漸為人所知。在此之前,宇宙被認為是靜止和永恆的,但是在 1920 年代,天文學家發現所有星系一直都在遠離,也就是宇宙在膨脹。因此,現在我們知道今天的宇宙與昨天的宇宙不同,而明天的宇宙也將不同。

愛因斯坦從 1916 年開始的廣義相對論已經預言了天文學家在太空中所看到的一切,所以廣義相對論也成為所有與宇宙相關的大規模計算的基礎。愛因斯坦發現該理論得出的結論是當空間在膨脹時,必須要在方程式中添加一個宇宙常數去抵消重力的影響並使宇宙靜止不動。但在十多年後,透過觀察到宇宙膨脹的現象時,人類認為並不需要加入宇宙常數,這是愛因斯坦認為這是他一生中最大的錯誤。然而,愛因斯坦猜想不到宇宙常數會在皮布爾斯的貢獻下,於 1980 年代重返宇宙學。

宇宙的膨脹意味著它曾經更密集,溫度更高。在 20 世紀中葉,宇宙的誕生被稱為“大爆炸”。沒有人知道一開始的實際情況,但是早期的宇宙就是一碗由很熱且不透明粒子所組成的濃湯,而一些光粒子會在附近彈跳著。

宇宙膨脹花了將近 40 萬年的時間來將這碗熱騰騰的湯冷卻到幾千攝氏度。這些原處在湯中的不透明粒子可以相互結合,形成主要由氫和氦原子所組成的透明氣體。因此,光子開始可以自由移動,光得以在太空中傳播。這些第一縷光線仍然充滿了宇宙。空間的擴展拉伸了可見光波,因此最終進入了波長為幾毫米微波範圍。

1964 年,兩位美國射電天文學家 ( 1978 年諾貝爾獎獲得者亞諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜) 偶然抓住了宇宙誕生的光芒。然而,他們無法擺脫天線從太空各處偵測到的恆定“噪聲”,因此他們兩位在其他研究人員的研究中尋求解釋,其中包括本屆 2019 年諾貝爾物理獎得主皮布爾斯,他們對這種無處不在的背景輻射進行了理論計算。在將近 140 億年之後,宇宙的溫度已下降到接近零的絕對值 (–273°C)。皮布爾斯意識到輻射的溫度可以提供有關在大爆炸中產生多少物質的信息,並理解這種光的釋放對於物質後來聚結成我們在太空中所看見星系和星團有著關鍵的決定性。

微波輻射的發現開啟了現代宇宙學的新紀元。宇宙起源所產生的古老輻射變成了科學上的寶藏,它包含了幾乎所有宇宙學家想要知道的一切的答案。宇宙多大了?它的命運是什麼?存在多少物質和能量?

之後,皮布爾斯以驚人的精確度能夠預測背景輻射的變化,並展示它們如何影響宇宙中的物質和能量。第一個重大的觀測發生在1992年4月,當時美國COBE衛星項目的主要研究人員展示了宇宙中第一束光線的圖像( 2006 年諾貝爾物理學獎獲得者 John Mather 和 George Smoot )。其他衛星,例如美國 WMAP 和歐洲 Planck ,逐漸完善了這幅年輕宇宙的肖像。恰如所料。隨著精度的提高,對宇宙中所含物質和能量的理論計算得到了證實,其中大多數 (95%) 對我們是不可見的。

自 1930 年代以來,我們知道我們所看到的宇宙並不是全部。測量星系旋轉速度顯示出星系必須通過重力與不可見物質保持在一起,否則它們將被撕裂;這種暗物質在星系的起源中扮演重要角色。

暗物質的組成仍然是宇宙學最大的謎團之一。長期以來,科學家一直相信,已知的中微子可能構成這種暗物質,但是為數眾多的低質量中微子以幾乎光速穿越空間,由於其速度太快終將無法將物質凝聚在一起。所以,取而代之的是,在 1982 年皮布爾斯所提出了由重而慢粒子所組成冷的暗物質。我們仍在尋找冷暗物質的這些未知粒子,這些粒子避免與已知物質相互作用,並佔宇宙的 26% 。

宇宙背景輻射的測量以及理論提供了一個明確的答案-宇宙是平坦的  (如同愛因斯坦廣義相對論中所提及)。但是,它所包含的物質僅只有臨界值的 31% ,其中 5% 是普通物質,而 26% 是暗物質;但 69% 呢? James Peebles再次提供了一個想法。 1984 年,他為恢復愛因斯坦的宇宙常數 (即空曠空間的能量,這些能量也被稱作暗能量) 的貢獻,也就是那 69% 。除了冷暗物質和普通物質,暗能量足以支持平坦宇宙的想法。

直到 1998 年觀察到宇宙加速膨脹之前( 2011 年諾貝爾物理學獎獲得者 Saul Perlmutter 、 Brian Schmidt 和 Adam Riess),暗能量仍然只是理論。現在,暗物質和暗能量都已成為宇宙學中最大的謎團。它們只能透過對周圍環境的影響來讓自己被知道。否則,對它們知之甚少。宇宙的陰暗面隱藏著什麼秘密?未知背後隱藏著什麼新的物理學?在解決空間奧秘的嘗試中,我們還會發現什麼?這些都將是有趣的問題。

米歇爾·麥耶 (左) 和迪迪埃·奎洛茲 (右)(圖/Wikipedia)

米歇爾·麥耶 (左) 和迪迪埃·奎洛茲 (右)(圖/Wikipedia)

瑞士日內瓦大學的榮譽教授麥耶和英國劍橋大學教授奎洛茲在 1995 年一起發表了圍繞著非太陽之恆星的太陽系外行星這個大發現。這個觀測是用了他們自製的儀器發現了一個類木行星 ー 飛馬座 51b (51 Pegasi b)。而這個發現造成了一個天文界的風潮,許多團隊也開始發現類似的系外行星,到了今天已經發現銀河系裡有超過 4,000 個系外行星了。

星圖(圖/Noble Prize Website (Photo credit: The Royal Swedish Academy of Science))

星圖(圖/Noble Prize Website (Photo credit: The Royal Swedish Academy of Science))

若要找太陽系外的行星,可以太陽系內的行星當作範本,以木星為例,質量大約是太陽的千分之一,木星表面主要的光源是來自反射的太陽光,在可見光波段,木星比太陽暗了將近十億倍。不僅如此,我們在遙望太陽系以外的恆星系統,在亮度相差了9個數量級的狀況下,行星和母恆星靠在一起,幾乎很難從中分辨出行星的蹤跡,就好像在臺灣北部遙望鵝鑾鼻燈塔旁的螢火蟲,這也難怪要到 1995 年才有第一個確認的系外行星。

兩個天體之間的萬有引力可以讓它們繞著共同的質量中心運轉,這個質量中心的位置和雙方的質量比值有關,是偏向質量較大的一方。 既然系外行星無法直接看到,天文學家改弦易轍,觀測的目標轉向當中的母恆星。我們可以藉由都卜勒效應,獲得恆星繞著質量中心晃動的公轉速度變化,進而推測系外行星的存在。但從 1970 年代末就發展出搜尋系外行星的技術也就是藉由恆星的都卜勒效應尋找木星質量的系外行星,結果一無所獲。

都卜勒光譜學 用徑向速度法找尋行星。行星繞行時產生的重力場也會影響到恆星的運動模式,而這從地球上觀測時會發先恆星會一直前後搖晃。這個搖晃的速率,也就是徑向速度,可以透過都普勒效應造成的紅、藍位移偵測到。(圖/Noble Prize Website & The Royal Swedish Academy of Science )

都卜勒光譜學 用徑向速度法找尋行星。行星繞行時產生的重力場也會影響到恆星的運動模式,而這從地球上觀測時會發先恆星會一直前後搖晃。這個搖晃的速率,也就是徑向速度,可以透過都普勒效應造成的紅、藍位移偵測到。(圖/Noble Prize Website & The Royal Swedish Academy of Science )

1995 年 10 月,瑞士天文學家米歇爾·麥耶在一場國際會議當中發表了驚人的成果米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲探索了銀河系,尋找未知的世界。 當時迪迪埃·奎洛茲是米歇爾·麥耶的學生(在同年獲得 University of Geneva 的博士學位)。米歇爾·麥耶原本有一個 142 顆類太陽恆星的清單,這些恆星的周圍看不出有伴星,於是他想針對這些恆星,找找是否有很低質量的伴星,或者是較大的氣體狀行星。米歇爾·麥耶與迪迪埃·奎洛茲從 1994 年四月開始用都卜勒效應來測量恆星的徑向速度並進行觀測,到了 10 月,觀測的對象是一顆類太陽恆星飛馬座 51 (51 Pegasi),他們發現飛馬座 51 有晃動的跡象,並在 1995 年 11 月《自然》雜誌上發表了在類太陽恆星附近找到的第一顆類似木星的系外行星。(以上三段文字節錄自《尋找系外行星的方法》) 

系外行星的首次發現引發了天文學的一場革命。數以千計的未知新世界被揭露。現在不僅可以通過地球上的望遠鏡發現新的行星系統,還可以通過衛星發現它們。美國太空望遠鏡TESS目前正在搜尋距離我們最近的 200,000 顆恆星,以搜尋類似地球的行星。

迄今為止發現的系外行星以驚人的形式,大小和運行軌道都使世人感到驚訝。他們挑戰了我們關於行星系統的先入為主的觀念,並迫使研究人員修改了有關造成行星誕生的物理過程的理論。隨著計劃中的多個項目開始尋找系外行星,我們最終可能會找到一個永恆的問題的答案,那就是是否還有其他生命。

在我們所處的銀河系裡太陽只是這幾億個恆星之一,而大多數的恆星應該都會有行星圍繞著。到目前為止天文學家已經已經發現了超過 4,000 個繞著其他恆星轉的行星,目前天文學家們持續在最靠近我們的區域找尋是否還有其他外系行星。(圖/Noble Prize Website & The Royal Swedish Academy of Science )

在我們所處的銀河系裡太陽只是這幾億個恆星之一,而大多數的恆星應該都會有行星圍繞著。到目前為止天文學家已經已經發現了超過 4,000 個繞著其他恆星轉的行星,目前天文學家們持續在最靠近我們的區域找尋是否還有其他外系行星。(圖/Noble Prize Website & The Royal Swedish Academy of Science )

今年的獲獎者改變了我們對宇宙的看法。吉姆·皮布爾斯的理論發現有助於我們理解大爆炸之後宇宙的演變;米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲探索了我們探索宇宙中的未知行星。他們的發現永遠改變了我們對世界的觀念。

原刊於《物理雙月刊

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