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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。

2018年度「邵逸夫天文學獎」頒予尚−盧.普吉 (Jean-Loup Puget) 以表彰他對紅外到亞毫米光譜範圍天文學的貢獻。他探測了在過去恆星形成過程中的星系所放出的宇宙遠紅外背景,並提出星際物質含有芳香族碳氫分子。通過普朗克太空計劃,他處理了星際物質前景的影響,因而顯著地提升了我們對宇宙學的認識。

Jean-Loup Puget
尚−盧.普吉
(照片由法國國家科學研究中心Rachel Barranco提供)
 

尚−盧.普吉1947年於法國索恩盧瓦爾省索恩河畔出生,現為法國國家科學研究中心及法國巴黎-薩克雷大學奧賽太空天體物理研究所研究員暨歐洲太空總署普朗克計劃高頻儀器(HFI)首席研究員。1966年至1970年期間,他於法國卡尚高等師範學院進修,並於1973年於該校取得博士學位。畢業後,他加入法國國家科學研究中心擔任研究員及研究所所長。1978年至1982年於巴黎天體物理學研究所擔任副所長。之後加入奧賽太空天體物理研究所,先後擔任副所長(1990 - 1997) 及所長 (1998 - 2005)。他是法國科學院院士。

可見光以外

 

光,或稱為電磁波,其實遠超我們肉眼可見的範圍。肉眼可見的光,波長約在400到700納米之間(納米是百萬分之一毫米)。但是,有更多電磁波是我們看不到的。例如紅外線,它的波長較可見光稍長,由溫暖的物體發射。亞毫米波的波長為0.1-1毫米,新型的機場安檢設備會利用亞毫米波,因為它可以穿透衣服和皮膚,而不會穿透武器等物件。波長約10厘米的微波則可用於加熱食物,微波爐正是如此運作。

天體可以發出不同波長的輻射。較冷的物體發出輻射的波長往往較長,而較熱的物體,輻射的波長較短。絕對溫度只有數十至數百度的塵埃雲,在可見光波段黑似煤灰,但在紅外線波段則會十分明亮。紅外望遠鏡亦可以看穿阻擋可見光的塵埃和氣體雲,顯示背後的星星。宇宙則於不同方向非常均勻地發出波長約一毫米的微波。

Visible lightInfrared
紅外線下的船底座星雲可穿透氣體及塵埃,看到被遮蔽可能正產生噴流的初生恆星。
圖像提供:NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team

宇宙微波背景

 

什麼東西發出這種幾乎完全均勻的微波輻射?根據大爆炸理論,宇宙起初是一個極小的奇點,然後膨脹138億年而形成今天的宇宙。宇宙形成之初溫度極高,它由等離子體組成。等離子體不斷發射又重新吸收光線,光線不能穿越空間,宇宙是不透明的。當宇宙膨脹並冷卻,等離子體開始形成中性原子,它們不會同樣吸收光線,宇宙變得透明,光線可穿透宇宙,幾乎再沒有吸收。宇宙微波背景就是宇宙誕生38萬年後,宇宙由不透明變為透明時,由熾熱等離子體發出的光。這道光最初屬於可見光及紅外線範圍,但隨着空間膨脹,光波被拉長而變成微波。

 all-sky map
此全天圖片顯示了宇宙中最古老的光線,即宇宙微波背景。它顯示出各個方向的溫度只有極小的差異(相差十萬分之一),對應於密度略有不同的區域,正是這些差異後來逐漸演化成為今天的星系和大尺度結構。
圖像提供:ESA and the Planck Collaboration

非凡貢獻

 

尚−盧.普吉對紅外至亞毫米光譜範圍的天文學作出了至為關鍵的貢獻,並透過普朗克計劃,精確量度宇宙微波背景,提高了我們在宇宙學的知識。

1984年,萊熱和普吉提出星際介質的一個主要成分,除了固體塵埃顆粒外,還有多環芳香族碳氫分子,從而解釋星際塵埃發出之前不明的紅外線光譜特徵。

1996年,遠紅外背景首次被普吉與研究團隊量度出來,這輻射是長久累積以來,由年輕星系中的微小塵粒放出。恆星誕生初期會釋放紫外線,塵粒吸收後被加熱,再放射出遠紅外線。

普吉在遠紅外、亞毫米、毫米天文學方面技術傑出、科學知識淵博,他進而領導歐洲太空總署(ESA)普朗克衞星高頻儀器(HFI) 的發展和科學開發。2009年至2013年期間,普吉和他的國際團隊利用高頻儀器的新型低溫感應器,以超高靈敏度,測量宇宙微波背景,以及由銀河系的塵埃及氣體造成的前景輻射,觀測的範圍涵蓋350微米至3毫米。通過在這些短波段工作,高頻儀器所檢測到的宇宙微波背景,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佈圖優勝三倍。高頻儀器對前景塵埃輻射的敏感度也是獨一無二。在短波長範圍的輻射,主要就是由前景塵埃輻射造成。分離前景的能力對普朗克所要追求的結果非常重要,即極精確地測量出宇宙學參數 — 例如,暗物質的總密度測量精確度達2%。

Planck spacecraft
歐洲太空總署的普朗克衞星高4.2米,寬4.2米,主鏡口徑1.5米,配備兩套科學儀器:低頻儀器感應4至10毫米之間的輻射,而高頻儀器則量度0.3至3毫米之間的輻射。為了完成高敏感度測量,普朗克的感應器的溫度要冷卻至近乎絕對零度,否則它們散發的熱量將破壞測量結果。
圖像提供:ESA (image by AOES Medialab)

Comparison of Cosmic Microwave Background results from different probes
各個探測器所取得的宇宙微波背景比較
圖像提供:NASA

photons in the Cosmic Microwave Background (CMB) are detected by the gravitational lensing effect
此圖顯示了宇宙微波背景中的光子穿越宇宙時,如何因大質量宇宙結構的引力透鏡效應而偏離方向。天文學家利用普朗克衞星的數據,首次能夠量度整個天空中的宇宙微波背景引力透鏡效應。
圖像提供:ESA and the Planck Collaboration

現時,宇宙正在加速膨脹。如果愛因斯坦的相對論中重力理論是正確的話,便需要一個非零的真空能量密度來解釋。或者,膨脹加速顯示重力的大小在大尺度上須要修正,若然如是,宇宙中的密度起伏,便會以非標準的速度演化。普朗克計劃能夠驗證這種效應,因為宇宙微波背景輻射會受當中的質量起伏折彎。這種引力透鏡效應已被普朗克全面測繪,所得結果與標準引力理論的預言吻合。

宇宙微波背景能探測出由最早出現的恆星和類星體產生的電離氣體所引發的散射。普朗克最近的數據顯示,這個再電離時代的開始比以前假設的更遲:在宇宙膨脹的最近十倍內。這個結果補充了遠紅外線背景對總能量釋放的測量,令我們可以更全面理解宇宙恆星形成的歷史。

 artist's impression of a portion in the timeline of the Universe
這代表着部分宇宙演化的時間。當首批恆星形成,它們發出的光,填充四周,後來圍繞著它們的光,將中性原子分離,令原子還原為電子和質子,這個過程稱為宇宙再電離。普朗克數據顯示再電離的開始時間,較以往所相信要遲。
圖像提供:ESA–C. Carreau