2019年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了三位天文學(xué)家,以表彰他們使我們理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置方面的貢獻(xiàn)。其中,美國(guó)普林斯頓大學(xué)的宇宙學(xué)家皮布爾斯（P. J. E. Peebles）獲得一半獎(jiǎng)金,以獎(jiǎng)勵(lì)他在物理宇宙學(xué)中的理論發(fā)現(xiàn);瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的馬約爾（Michel Mayor）和瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)及英國(guó)劍橋大學(xué)的奎洛茲（Didier Queloz）分享了另一半獎(jiǎng)金,以獎(jiǎng)勵(lì)他們發(fā)現(xiàn)一顆環(huán)繞類似太陽(yáng)的恒星的行星。文章介紹這幾位學(xué)者的科學(xué)貢獻(xiàn)。 

【文章來(lái)源】：自然雜志. 2019,41(06)

【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)

【部分圖文】：

彭齊亞斯和威爾遜在他們的天線前

皮布爾斯和其他一些學(xué)者也開(kāi)始研究當(dāng)物質(zhì)密度分布不完全均勻時(shí)，這些密度擾動(dòng)如何演化，以及它們所導(dǎo)致的宇宙微波背景輻射溫度各向異性。皮布爾斯和他的一個(gè)來(lái)自香港的留學(xué)生Jer-Tsang Yu(虞哲奘，后來(lái)回香港城市大學(xué)工作，未再做宇宙學(xué)研究)首次編制了定量計(jì)算宇宙微波背景輻射各向異性的程序。他也預(yù)測(cè)了宇宙大爆炸時(shí)隨機(jī)的密度擾動(dòng)將激發(fā)聲波振蕩，那些在大爆炸結(jié)束的時(shí)刻正振蕩到最大值的擾動(dòng)將會(huì)在特定尺度的宇宙微波背景輻射中留下印記。盡管在當(dāng)年這些效應(yīng)看上去都非常微小，但經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)在精密測(cè)量的宇宙微波背景輻射角功率譜(圖3)中可以清晰地看到這些振蕩峰。皮布爾斯當(dāng)年的理論研究成為今日精密宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。皮布爾斯喜愛(ài)給學(xué)生上課，當(dāng)時(shí)他也開(kāi)設(shè)宇宙學(xué)課程，并在課程中講授宇宙學(xué)方面的最新研究成果�；堇展膭�(lì)皮布爾斯把他的講義寫(xiě)成書(shū)，為此惠勒專門(mén)來(lái)旁聽(tīng)皮布爾斯的課程，并仔細(xì)地寫(xiě)下筆記，一學(xué)期課程結(jié)束后把他記下的字跡工整的筆記送給皮布爾斯。在惠勒的鼓勵(lì)下，皮布爾斯寫(xiě)出了他影響巨大的《物理宇宙學(xué)》一書(shū)，并于1971年出版(1993年擴(kuò)充為《物理宇宙學(xué)原理》)。與早期僅僅從廣義相對(duì)論角度討論宇宙學(xué)的著作(比如《經(jīng)典場(chǎng)論》)不同，《物理宇宙學(xué)》討論了物質(zhì)、輻射等具體物理演化過(guò)程，以及元素豐度、宇宙微波背景輻射、大尺度結(jié)構(gòu)等可觀測(cè)量，宇宙學(xué)的骨架上現(xiàn)在有了血肉。

皮布爾斯與Ostriker的一項(xiàng)研究對(duì)于暗物質(zhì)被廣泛接受也有非常重要的作用。他們使用計(jì)算機(jī)，進(jìn)行了N體模擬(圖5)：用一些粒子代表物質(zhì)，假定它們之間僅存在引力相互作用，看看如何演化。他們發(fā)現(xiàn)，按照觀測(cè)到的銀河系參數(shù)設(shè)置的盤(pán)狀星系并不穩(wěn)定，很快就會(huì)從盤(pán)狀演化成棒狀。要使星系具有穩(wěn)定性，必須假定在盤(pán)之外還存在著呈球狀分布的暗物質(zhì)，也就是所謂暗物質(zhì)暈。暗物質(zhì)被接受后，人們開(kāi)始研究暗物質(zhì)情況下的星系形成模型。澤多維奇提出了中微子作為暗物質(zhì)的候選者。但是，由于中微子質(zhì)量很輕，在宇宙早期它們運(yùn)動(dòng)速度很快，這樣它們會(huì)把小尺度的原初擾動(dòng)抹平。因此，在這種所謂熱暗物質(zhì)模型里，首先形成的是一些非常巨大的結(jié)構(gòu)，然后這些再分裂成星系。但是，這種星系演化圖景與觀測(cè)差別太大。皮布爾斯則提出了一種基于緩慢運(yùn)動(dòng)粒子的冷暗物質(zhì)模型。在這種模型里，小的結(jié)構(gòu)首先形成，進(jìn)而逐漸并合成大的結(jié)構(gòu)，與觀測(cè)到的星系形成過(guò)程比較一致。如果選取合適的參數(shù)，甚至在定量上也和觀測(cè)符合得比較好。根據(jù)大尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以反推宇宙大爆炸時(shí)不均勻的程度，皮布爾斯預(yù)測(cè)宇宙微波背景輻射應(yīng)該有十萬(wàn)分之一量級(jí)的大尺度不均勻性，這果然被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了。


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