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「邵逸夫獎」於2002年成立,並設有三個獎項,分別為天文學、生命科學與醫學和數學科學,以表彰在學術及科學研究或應用上在近期獲得突破性的成果,和該成果對人類生活產生深遠影響的科學家。
 
2017邵逸夫天文學獎頒予西蒙•懷特 (Simon D M White)以表彰他在理解宇宙結構形成的貢獻。他運用強大的數值模擬,揭示了早期的宇宙中的微小密度漲落,怎樣發展成現今宇宙所看見的星系和其他非線性結構,提供了有力的證據支持具有平直幾何,並由暗物質和宇宙常數所支配的宇宙模型。
 
西蒙.懷特
西蒙.懷特

德國馬克斯普朗克天體物理研究所所長

西蒙.懷特 (Simon D M White)在1951年出生於英國肯特郡阿什福德市,現為德國馬克斯普朗克天體物理研究所所長。他在1972年於英國劍橋大學取得數學學士學位,並於1977年於該校取得天文學博士學位。他曾在美國加州大學柏克萊分校擔任林德曼研究員(1977–1978)及劍橋大學擔任研究員(1979–1980)。其後,他於1981年至1984年期間返回加州大學柏克萊分校擔任客座助理教授。隨後,他在美國阿利桑那大學斯圖爾德天文台任職,在1984年至1987年為副教授/天文學家,在1987年至1991年為教授/天文學家。他於1992年至1994年擔任歐洲天文學研究協會總監。自1994年起成為德國馬克斯普朗克天體物理研究所所長。西蒙.懷特是英國倫敦皇家學會院士。

N體模擬

 

在宇宙的演化歷史中,所有具質量的物質皆會因重力互相影響而產生結構。要明白這個過程,科學家依靠超級電腦的運算能力去模擬大量(N)粒子在相互的重力作用下的運動。這所指的粒子並非我們平常所說的基本粒子,而是電腦模擬中所使用的單位,一個粒子可能代表相當於一個星系質量的一團物質,視乎模擬所需的尺度。在過去的四十年裏,西蒙•懷特和他的團隊一起發展N體電腦模擬,作為一種非凡力量的新工具,為宇宙結構之形成提供了基本的見解。

structure formation in a simulation box
在模擬盒子內模擬結構形成的例子。從左至右是模擬宇宙在9億年、33億年及現在的氣體狀況。

圖片來源: Volker Springel; Max-Planck-Institute for Astrophysics

最近的「千禧模擬」以超過一百億顆代表暗物質的粒子分佈在22億光年的立方體內,精確地捕捉了大爆炸之後一千萬年到現在這期間宇宙結構的演變。它是目前最大型的N體模擬,甚至令到位於德國加興市的普朗克學會超級電算中心內的超級電腦為「千禧模擬」須不停運算超過一個多月。藉着與大型巡天觀測項目如史隆數位巡天(SDSS)的觀測數據比較,科學家可以從中瞭解到組成星系及黑洞背後的物理過程。

「千禧模擬」截圖

 

(a) 2.1億年的宇宙
Universe at 0.21 billion years old

(b) 10億年的宇宙
Universe at 1 billion years old

(c) 47億年的宇宙
Universe at 4.7 billion years old

(d) 136億年(即現今)的宇宙
Universe at 13.6 billion years old (The present)

圖片來源: Springel et al. (Virgo Consortium); Max-Planck-Institute for Astrophysics

Millennium Simulation
「千禧模擬」包含超過一百億顆粒子。科學家可作放大或縮小以分析不同尺度下的結構。
圖片來源: Springel et al. (Virgo Consortium); Max-Planck-Institute for Astrophysics

The large-scale structure of the Universe observed by Sloan Digital Sky Survey (SDSS). The large-scale distribution of normal matter in the Universe simulated by the
(左):史隆數位巡天觀測(SDSS)的大尺度宇宙結構。地球位於中央,圖中每一個點代表一個星系,由於受到銀河系本身的塵埃阻擋,兩旁的位置未能觀測。
圖片來源: Sloan Digital Sky Survey

(右):以「千禧模擬」所模擬的宇宙大尺度可見物質分佈。它和SDSS觀測所得的數據十分吻合。
圖片來源: Volker Springel; Max-Planck-Institute for Astrophysics

在這次模擬的後處理中,懷特、斯普林吉及同事添加了一些小尺度的物理過程模型,來計算在暗物質暈中正常物質的演變。恆星的形成是兩個過程互相競爭的結果︰一方面是氣體冷卻,另一方面是星系中通過超新星和巨大黑洞的活動排出物質。在1991年,懷特和弗倫克首先提出半分析方法,他們最近又對星系屬性作出預測,這兩組結果現與多種不同的觀測相互吻合,因此這模擬正開始接近由來已久「在電腦中創造宇宙」的夢想。

非線性結構

 

在現今的宇宙,有很多結構(包括星系、巨大的星系團,以及連接着最大星系團的氣體和星系宇宙網等)的密度皆遠高於宇宙的平均密度。這些結構的組成過程是高度非線性。以N體模擬來分析非線性結構的演化就非常有效。

現今科學家普遍採納一套關於非線性結構形成的理論典範,懷特的研究涵蓋了這套典範幾乎每一個方面。科學家發現許多星系團皆呈塊狀結構。懷特在1976年已進行數值實驗,顯示一個龐大的正常物質團在引力塌縮時會形成眾多的次成團,似乎合理地解釋了這現象。1978年,懷特和里斯首先提出︰本質不明的無耗散暗物質會首先構成較大的暈,然後正常物質氣體向其中心塌縮,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•懷特在1976年發表的論文中,模擬以700顆粒子顯示一個龐大正常物質團的演化。圖a至c分別是模型群中三個階段的粒子預計分佈:(a)初始時期;(b)較少的次成團會在早期出現;(c)互相融合成模擬較大的次成團。大次成團的塊狀結構可與觀測到的超星系團作出比較。
圖片來源: Simon D M White

distribution of normal matter with dark matter
這兩張假色圖片比較宇宙中正常物質(左紅,使用可見光)和暗物質(右藍,使用重力透鏡技術)的分佈。團塊的亮度代表物質的密度。正常物質和暗物質塊狀結構的相似揭示了宇宙結構是如何演化。
圖片來源: NASA, ESA, and R. Massey (California Institute of Technology)

中微子就是暗物質嗎?

 

在1980年初,很多科學家進行研究,探討暗物質的主要成份是中微子的可能性。懷特和他的合作伙伴戴維斯、埃夫斯塔希歐和弗倫克進行了最具影響力的早期數值研究,在仿真的宇宙學模型中模擬非線性結構的形成。他們證明,如果中微子的質量足以解釋大部分的暗物質,那麼在宇宙早期階段時,中微子以接近光速走動,足以抑制空間結構如星系的形成,但此一結論與觀測不符,於是為中微子的質量設置了上限。這是以宇宙學對基本粒子的特性作出規限的最早例子之一。

如果暗物質不是中微子的話,懷特和他的合作伙伴團隊提出了暗物質很可能是「冷」的,即相對於宇宙的整體膨脹而言,暗物質粒子並沒有顯著的運動,它們的初始分散速度是可忽略的,簡而言之,即暗物質粒子的速度遠低於光速。幾年後,納瓦羅、弗倫克和懷特從N體模擬中提出了簡單的雙參數經驗定律,可以非常貼切地描述冷暗物質在其暈內的密度與半徑的關係。這個定律現以三人命名,普遍被稱為NFW(Navarro–Frenk–White)分佈。

宇宙常數

 

暴漲理論是宇宙學中廣為接受的一套理論,它要求宇宙的密度相等於臨界密度,令宇宙呈現出平直幾何。在90年代初,科學家認為物質密度(包括正常物質密度及暗物質密度)是相等於臨界密度。在1993年,懷特、伊瓦德、弗倫克和納瓦羅注意到在星系團中,正常物質與暗物質的比例較預期中不同,從而指出宇宙的物質密度遠低於臨界密度,從而提供契機令科學家檢視宇宙常數的角色。

 

宇宙學家已用了一個世紀的時間來探索在宇宙中星系和其他結構起源的問題。在過去的一段時間,我們在理論的範疇取得了巨大的進展。懷特領導日趨逼真的幾代數值模型,脫穎而出。這些成就,為今後幾十年的工作打下了基礎,通過更精密的計算,我們可以期待徹底明白這些結構究竟是如何出現的。懷特成就卓越,堪為2017年度邵逸夫天文學獎的得獎者。

近期在宇宙背景輻射和星系空間分佈、星系際氣體分佈以及許多其他現象的精確觀測中證實了宇宙學標準模型的正確性。今天強效的望遠鏡和檢測,正以史無前例的準確性在驗證懷特及他同事的預測。還有近年興建中或正在計劃的地面和太空望遠鏡,每項耗資以十億美元計,這些龐大觀測設施背後的科學動力,就是要進一步檢測我們對宇宙結構形成的理解,從而告訴我們宇宙的年齡、大小、幾何、含量和起源,此外還告訴我們關於物理學基本規律的知識。