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2018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。

2018年度「邵逸夫天文学奖」颁予尚−卢.普吉 (Jean-Loup Puget) 以表彰他对红外到亚毫米光谱范围天文学的贡献。他探测了在过去恒星形成过程中的星系所放出的宇宙远红外背景,并提出星际物质含有芳香族碳氢分子。通过普朗克太空计划,他处理了星际物质前景的影响,因而显著地提升了我们对宇宙学的认识。

尚−卢.普吉 (照片由法国国家科学研究中心Rachel Barranco提供)

尚−卢.普吉1947年于法国索恩卢瓦尔省索恩河畔出生,现为法国国家科学研究中心及法国巴黎-萨克雷大学奥赛太空天体物理研究所研究员暨欧洲太空总署普朗克计划高频仪器(HFI)首席研究员。1966年至1970年期间,他于法国卡尚高等师范学院进修,并于1973年于该校取得博士学位。毕业后,他加入法国国家科学研究中心担任研究员及研究所所长。1978年至1982年于巴黎天体物理学研究所担任副所长。之后加入奥赛太空天体物理研究所,先后担任副所长(1990 - 1997) 及所长 (1998 - 2005)。他是法国科学院院士。

红外线下的船底座星云可穿透气体及尘埃,看到被遮蔽可能正产生喷流的初生恒星。 图像提供:NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team

光,或称为电磁波,其实远超我们肉眼可见的范围。肉眼可见的光,波长约在400到700纳米之间(纳米是百万分之一毫米)。但是,有更多电磁波是我们看不到的。例如红外线,它的波长较可见光稍长,由温暖的物体发射。亚毫米波的波长为0.1-1毫米,新型的机场安检设备会利用亚毫米波,因为它可以穿透衣服和皮肤,而不会穿透武器等物件。波长约10厘米的微波则可用于加热食物,微波炉正是如此运作。

天体可以发出不同波长的辐射。较冷的物体发出辐射的波长往往较长,而较热的物体,辐射的波长较短。绝对温度只有数十至数百度的尘埃云,在可见光波段黑似煤灰,但在红外线波段则会十分明亮。红外望远镜亦可以看穿阻挡可见光的尘埃和气体云,显示背后的星星。宇宙则于不同方向非常均匀地发出波长约一毫米的微波。

图像提供:ESA and the Planck Collaboration

什么东西发出这种几乎完全均匀的微波辐射?根据大爆炸理论,宇宙起初是一个极小的奇点,然后膨胀138亿年而形成今天的宇宙。宇宙形成之初温度极高,它由等离子体组成。等离子体不断发射又重新吸收光线,光线不能穿越空间,宇宙是不透明的。当宇宙膨胀并冷却,等离子体开始形成中性原子,它们不会同样吸收光线,宇宙变得透明,光线可穿透宇宙,几乎再没有吸收。宇宙微波背景就是宇宙诞生38万年后,宇宙由不透明变为透明时,由炽热等离子体发出的光。这道光最初属于可见光及红外线范围,但随着空间膨胀,光波被拉长而变成微波。

 

此全天图片显示了宇宙中最古老的光线,即宇宙微波背景。它显示出各个方向的温度只有极小的差异(相差十万分之一),对应于密度略有不同的区域,正是这些差异后来逐渐演化成为今天的星系和大尺度结构。

尚−卢.普吉对红外至亚毫米光谱范围的天文学作出了至为关键的贡献,并透过普朗克计划,精确量度宇宙微波背景,提高了我们在宇宙学的知识。

1984年,莱热和普吉提出星际介质的一个主要成分,除了固体尘埃颗粒外,还有多环芳香族碳氢分子,从而解释星际尘埃发出之前不明的红外线光谱特征。

1996年,远红外背景首次被普吉与研究团队量度出来,这辐射是长久累积以来,由年轻星系中的微小尘粒放出。恒星诞生初期会释放紫外线,尘粒吸收后被加热,再放射出远红外线。

普吉在远红外、亚毫米、毫米天文学方面技术杰出、科学知识渊博,他进而领导欧洲太空总署(ESA)普朗克卫星高频仪器(HFI) 的发展和科学开发。2009年至2013年期间,普吉和他的国际团队利用高频仪器的新型低温感应器,以超高灵敏度,测量宇宙微波背景,以及由银河系的尘埃及气体造成的前景辐射,观测的范围涵盖350微米至3毫米。通过在这些短波段工作,高频仪器所检测到的宇宙微波背景,其角分辨率比任何利用其他方法取得的全天宇宙微波背景分布图优胜三倍。高频仪器对前景尘埃辐射的敏感度也是独一无二。在短波长范围的辐射,主要就是由前景尘埃辐射造成。分离前景的能力对普朗克所要追求的结果非常重要,即极精确地测量出宇宙学参数 — 例如,暗物质的总密度测量精确度达2%。

Planck spacecraft
欧洲太空总署的普朗克卫星高4.2米,宽4.2米,主镜口径1.5米,配备两套科学仪器:低频仪器感应4至10毫米之间的辐射,而高频仪器则量度0.3至3毫米之间的辐射。为了完成高敏感度测量,普朗克的感应器的温度要冷却至近乎绝对零度,否则它们散发的热量将破坏测量结果。
图像提供:ESA (image by AOES Medialab)

Comparison of Cosmic Microwave Background results from different probes
各个探测器所取得的宇宙微波背景比较
图像提供:NASA

photons in the Cosmic Microwave Background (CMB) are detected by the gravitational lensing effect
此图显示了宇宙微波背景中的光子穿越宇宙时,如何因大质量宇宙结构的引力透镜效应而偏离方向。天文学家利用普朗克卫星的数据,首次能够量度整个天空中的宇宙微波背景引力透镜效应。
图像提供:ESA and the Planck Collaboration

现时,宇宙正在加速膨胀。如果爱因斯坦的相对论中重力理论是正确的话,便需要一个非零的真空能量密度来解释。或者,膨胀加速显示重力的大小在大尺度上须要修正,若然如是,宇宙中的密度起伏,便会以非标准的速度演化。普朗克计划能够验证这种效应,因为宇宙微波背景辐射会受当中的质量起伏折弯。这种引力透镜效应已被普朗克全面测绘,所得结果与标准引力理论的预言吻合。

宇宙微波背景能探测出由最早出现的恒星和类星体产生的电离气体所引发的散射。普朗克最近的数据显示,这个再电离时代的开始比以前假设的更迟:在宇宙膨胀的最近十倍内。这个结果补充了远红外线背景对总能量释放的测量,令我们可以更全面理解宇宙恒星形成的历史。

 artist's impression of a portion in the timeline of the Universe
这代表着部分宇宙演化的时间。当首批恒星形成,它们发出的光,填充四周,后来围绕着它们的光,将中性原子分离,令原子还原为电子和质子,这个过程称为宇宙再电离。普朗克数据显示再电离的开始时间,较以往所相信要迟。
图像提供:ESA–C. Carreau

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