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2017年度邵逸夫天文学奖

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「邵逸夫奖」于2002年成立,并设有三个奖项,分别为天文学、生命科学与医学和数学科学,以表彰在学术及科学研究或应用上在近期获得突破性的成果,和该成果对人类生活产生深远影响的科学家。
 
2017邵逸夫天文学奖颁予西蒙•怀特 (Simon D M White)以表彰他在理解宇宙结构形成的贡献。他运用强大的数值模拟,揭示了早期的宇宙中的微小密度涨落,怎样发展成现今宇宙所看见的星系和其他非线性结构,提供了有力的证据支持具有平直几何,并由暗物质和宇宙常数所支配的宇宙模型。
西蒙.怀特 德国马克斯普朗克天体物理研究所所长

西蒙.怀特 (Simon D M White)在1951年出生于英国肯特郡阿什福德市,现为德国马克斯普朗克天体物理研究所所长。他在1972年于英国剑桥大学取得数学学士学位,并于1977年于该校取得天文学博士学位。他曾在美国加州大学柏克莱分校担任林德曼研究员(1977–1978)及剑桥大学担任研究员(1979–1980)。其后,他于1981年至1984年期间返回加州大学柏克莱分校担任客座助理教授。随后,他在美国阿利桑那大学斯图尔德天文台任职,在1984年至1987年为副教授/天文学家,在1987年至1991年为教授/天文学家。他于1992年至1994年担任欧洲天文学研究协会总监。自1994年起成为德国马克斯普朗克天体物理研究所所长。西蒙.怀特是英国伦敦皇家学会院士。

在模拟盒子内模拟结构形成的例子。从左至右是模拟宇宙在9亿年、33亿年及现在的气体状况。 图片来源: Volker Springel; Max-Planck-Institute for Astrophysics

在宇宙的演化历史中,所有具质量的物质皆会因重力互相影响而产生结构。要明白这个过程,科学家依靠超级电脑的运算能力去模拟大量(N)粒子在相互的重力作用下的运动。这所指的粒子并非我们平常所说的基本粒子,而是电脑模拟中所使用的单位,一个粒子可能代表相当于一个星系质量的一团物质,视乎模拟所需的尺度。在过去的四十年里,西蒙•怀特和他的团队一起发展N体电脑模拟,作为一种非凡力量的新工具,为宇宙结构之形成提供了基本的见解。

最近的「千禧模拟」以超过一百亿颗代表暗物质的粒子分布在22亿光年的立方体内,精确地捕捉了大爆炸之后一千万年到现在这期间宇宙结构的演变。它是目前最大型的N体模拟,甚至令到位于德国加兴市的普朗克学会超级电算中心内的超级电脑为「千禧模拟」须不停运算超过一个多月。藉着与大型巡天观测项目如史隆数位巡天(SDSS)的观测数据比较,科学家可以从中了解到组成星系及黑洞背后的物理过程。

在这次模拟的后处理中,怀特、斯普林吉及同事添加了一些小尺度的物理过程模型,来计算在暗物质晕中正常物质的演变。恒星的形成是两个过程互相竞争的结果︰一方面是气体冷却,另一方面是星系中通过超新星和巨大黑洞的活动排出物质。在1991年,怀特和弗伦克首先提出半分析方法,他们最近又对星系属性作出预测,这两组结果现与多种不同的观测相互吻合,因此这模拟正开始接近由来已久「在计算机中创造宇宙」的梦想。

(a) 2.1亿年的宇宙
图片来源: Springel et al. (Virgo Consortium); Max-Planck-Institute for Astrophysics
(b) 10亿年的宇宙
图片来源: Springel et al. (Virgo Consortium); Max-Planck-Institute for Astrophysics
(c) 47亿年的宇宙
图片来源: Springel et al. (Virgo Consortium); Max-Planck-Institute for Astrophysics
(d) 136亿年(即现今)的宇宙
图片来源: Springel et al. (Virgo Consortium); Max-Planck-Institute for Astrophysics
「千禧模拟」包含超过一百亿颗粒子。科学家可作放大或缩小以分析不同尺度下的结构。
图片来源: Springel et al. (Virgo Consortium); Max-Planck-Institute for Astrophysics

(左):史隆数位巡天观测(SDSS)的大尺度宇宙结构。地球位于中央,图中每一个点代表一个星系,由于受到银河系本身的尘埃阻挡,两旁的位置未能观测。
图片来源: Sloan Digital Sky Survey

(右):以「千禧模拟」所模拟的宇宙大尺度可见物质分布。它和SDSS观测所得的数据十分吻合。
图片来源: Volker Springel; Max-Planck-Institute for Astrophysics

在现今的宇宙,有很多结构(包括星系、巨大的星系团,以及连接着最大星系团的气体和星系宇宙网等)的密度皆远高于宇宙的平均密度。这些结构的组成过程是高度非线性。以N体模拟来分析非线性结构的演化就非常有效。

现今科学家普遍采纳一套关于非线性结构形成的理论典范,怀特的研究涵盖了这套典范几乎每一个方面。科学家发现许多星系团皆呈块状结构。怀特在1976年已进行数值实验,显示一个庞大的正常物质团在引力塌缩时会形成众多的次成团,似乎合理地解释了这现象。1978年,怀特和里斯首先提出︰本质不明的无耗散暗物质会首先构成较大的晕,然后正常物质气体向其中心塌缩,遂形成星系。

initial stage of the evolution of a large cluster mass of normal matter

merging of subsclusters as the simulation evolved

forming large subclusters

西蒙•怀特在1976年发表的论文中,模拟以700颗粒子显示一个庞大正常物质团的演化。图a至c分别是模型群中三个阶段的粒子预计分布:(a)初始时期;(b)较少的次成团会在早期出现;(c)互相融合成模拟较大的次成团。大次成团的块状结构可与观测到的超星系团作出比较。
图片来源: Simon D M White

distribution of normal matter with dark matter
这两张假色图片比较宇宙中正常物质(左红,使用可见光)和暗物质(右蓝,使用重力透镜技术)的分布。团块的亮度代表物质的密度。正常物质和暗物质块状结构的相似揭示了宇宙结构是如何演化。
图片来源: NASA, ESA, and R. Massey (California Institute of Technology)

在1980年初,很多科学家进行研究,探讨暗物质的主要成份是中微子的可能性。怀特和他的合作伙伴戴维斯、埃夫斯塔希欧和弗伦克进行了最具影响力的早期数值研究,在仿真的宇宙学模型中模拟非线性结构的形成。他们证明,如果中微子的质量足以解释大部分的暗物质,那么在宇宙早期阶段时,中微子以接近光速走动,足以抑制空间结构如星系的形成,但此一结论与观测不符,于是为中微子的质量设置了上限。这是以宇宙学对基本粒子的特性作出规限的最早例子之一。

如果暗物质不是中微子的话,怀特和他的合作伙伴团队提出了暗物质很可能是「冷」的,即相对于宇宙的整体膨胀而言,暗物质粒子并没有显著的运动,它们的初始分散速度是可忽略的,简而言之,即暗物质粒子的速度远低于光速。几年后,纳瓦罗、弗伦克和怀特从N体模拟中提出了简单的双参数经验定律,可以非常贴切地描述冷暗物质在其晕内的密度与半径的关系。这个定律现以三人命名,普遍被称为NFW(Navarro–Frenk–White)分布。

暴涨理论是宇宙学中广为接受的一套理论,它要求宇宙的密度相等于临界密度,令宇宙呈现出平直几何。在90年代初,科学家认为物质密度(包括正常物质密度及暗物质密度)是相等于临界密度。在1993年,怀特、伊瓦德、弗伦克和纳瓦罗注意到在星系团中,正常物质与暗物质的比例较预期中不同,从而指出宇宙的物质密度远低于临界密度,从而提供契机令科学家检视宇宙常数的角色。

 

宇宙学家已用了一个世纪的时间来探索在宇宙中星系和其他结构起源的问题。在过去的一段时间,我们在理论的范畴取得了巨大的进展。怀特领导日趋逼真的几代数值模型,脱颖而出。这些成就,为今后几十年的工作打下了基础,通过更精密的计算,我们可以期待彻底明白这些结构究竟是如何出现的。怀特成就卓越,堪为2017年度邵逸夫天文学奖的得奖者。

近期在宇宙背景辐射和星系空间分布、星系际气体分布以及许多其他现象的精确观测中证实了宇宙学标准模型的正确性。今天强效的望远镜和检测,正以史无前例的准确性在验证怀特及他同事的预测。还有近年兴建中或正在计划的地面和太空望远镜,每项耗资以十亿美元计,这些庞大观测设施背后的科学动力,就是要进一步检测我们对宇宙结构形成的理解,从而告诉我们宇宙的年龄、大小、几何、含量和起源,此外还告诉我们关于物理学基本规律的知识。

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