【2019諾貝爾物理學獎】宇宙學與系外行星

撰文|陳勁豪

2019諾貝爾物理學獎頒發給宇宙學與天文學領域。一半的獎金頒發給James Peebles以表彰他對理論宇宙學的貢獻。另一半的獎金頒發給Michel Mayor與Didier Queloz,以表彰他們發現繞行恆星的系外行星。

目前科學家認為宇宙是由可見物質,暗物質,以及暗能量所組成的。用個比較直覺的比喻,如果用一杯咖啡來比喻這個宇宙,那黑咖啡的部份就相當於是暗能量,加入的一小杯牛奶就相當於是暗物質,而再加入的一些糖就相當於是可見物質。對物理學家來說,他們所看到的這個宇宙,基本上就是這三者的混合物,但是物理學家要做的,就是從這一杯宇宙級的牛奶咖啡中來找出可見物質,暗物質,與暗能量的比例。

另一方面,在約140億年前,宇宙由大爆炸中誕生。在大爆炸之後,宇宙一直處於高溫高密度的狀態,即便是光也無法脫離這個狀態。隨著時間過去,宇宙不斷的膨脹與冷卻。一直到約大爆炸後四十萬年,宇宙冷卻到可以使光得以穿透宇宙,而形成了宇宙中的第一道光。這些大爆炸的遺跡,在現在以宇宙微波背景輻射的形式存在。透過研究宇宙微波背景輻射,科學家得以揭開大爆炸的面貌。

而James Peebles的貢獻在於,在1960年代,他發展出了一套理論模型,可以用來解讀這些宇宙微波背景輻射。根據他的理論,最重要的一個結果是我們所看到的物質,包括各式星球,約佔宇宙總質量的5%。另外95%則是由暗物質與暗能量所組成。目前最新的結果認為,暗物質約佔25%,暗能量約佔70%。

而Michel Mayor與Didier Queloz的研究則可相當於是專注於這杯宇宙咖啡中的那5%的部份,尤其是所謂系外行星的部份。

所謂的系外行星,一般指的是太陽系之外,不繞行太陽公轉的行星。概念上很簡單,簡單的說就是如果宇宙中有類似太陽的恆星存在,那麼這些恆星也應該會具有類似地球或其他太陽系行星般的行星存在。

這個概念相當直覺,但是要找到這種系外行星非常困難。因為恆星離地球很遠,所以不易觀測。此外,即便有系外行星的存在,由於行星不會自己發光,使我們幾乎看不到行星的存在。

在1995年,Mayor與Queloz發表了第一個系外行星的觀測結果。這個被稱為飛馬座51b (planet 51 Pegasi B)的系外行星繞著位於我們的銀河系中的一個類似太陽的恆星公轉。這個飛馬座51b的系外行星類似於我們太陽系中的土星木星,是個氣態行星。自此之後,科學家發現了超過四千個不同大小,不同型態,不同軌道的系外行星。透過這些系外行星,科學家開始認真看待,發現類似地球的系外行星的可能性。

透過Peebles的理論貢獻,科學家得以了解宇宙在大爆炸後的演化過程。而透過Mayor與Queloz的貢獻,科學家發現一種新的星體。透過研究系外行星,我們也增加了對太陽系的認識。

 

參考資料:

    1. 2019 Nobel Prize Press Release
    2. 2019 Nobel Prize Popular Science Background
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