2019 諾貝爾物理獎得主:James Peebles與他的ΛCDM 模型

美國宇宙學家James Peebles因為對宇宙發展的主流理論—ΛCDM模型具有重大貢獻,成為2019年諾貝爾物理獎得主之一。他成功的用數值方法估計出宇宙微波背景的非均質性,並且提出了冷暗物質的假設,以及使用宇宙常數成功的解釋並預測天文觀測結果。

圖片來源:NASA / WMAP Science Team

編譯|王昊謙(臺大物理系學生)

2019諾貝爾物理獎於今年的十月八日公佈,其中有二分之一的獎項頒給美國宇宙學家James Peebles,表揚他與他的ΛCDM模型對宇宙學的貢獻。此模型隨著宇宙學一起發展,並且一起逐步成熟。因此,要談James Peebles,必須從宇宙學的誕生開始說起。

宇宙學的誕生

1929年,哈伯的研究發現宇宙正在擴張。隨後,烏克蘭數學家Alexander Friedmann根據當時愛因斯坦剛發表的廣義相對論,產生了支持宇宙擴張的理論。在1940年代,Ralph Alpher、Robert Herman和George Gamow等人提出的理論認為宇宙可能是在高溫中生成。Gamow認為元素若要生成,宇宙的密度必須極高,且溫度也必須達到數千度以上。Alpher和Herman則提出現今宇宙的溫度應已降至5K左右,但當時大部分的物理學家認為測量宇宙的溫度是天方夜譚。

1965年,Arnold Penzias和Robert Wilson在意外中發現了宇宙的背景輻射(cosmic microwave background,CMB)。在和普林斯頓大學的研究團隊接觸後,他們才知道此團隊中早有一位年輕的物理學家預言了宇宙現今的背景輻射溫度約為10K。於是展開了更加深入的研究,並提出CMB和宇宙剛誕生時的高溫有關。Peebles等人根據這項觀測資料算出了宇宙中的重子物質(baryonic matter,即重子所組成的物質,包含質子、中子和它們組成的元素等)的總量,並發現所獲得的估計結果和觀測結果有相當大的差距,暗示著有大量的其他物質尚未被發現。Peebles在同年單獨發表的另一篇論文指出,在宇宙發展初期,宇宙中的輻射會防止束縛重力系統的形成。這篇文章被視為宇宙學的開端之一。

非均質的背景輻射

乍看之下當時被觀測到的背景輻射,各個方向都是均勻的。然而,若將觀測結果做多極展開(multipole expansion),就可以發現CMB在各個方向是不均勻的。Rainer Sachs和Arthur Wolfe首先預告了CMB的非均質性(各向異性),被稱為SW Effect。SW Effect主要影響較大的空間尺度上的非均質性,在小尺度上,則是因為聲波(acoustic wave)的傳遞造成背景輻射的不均勻,也就是所謂的BAO(baryon acoustic oscillations)。Rashid Sunyaev和Yakov Zeldovich解釋了聲波背後的成因,Peebles和Jer Yu則透過數值方法預測實際觀測到的頻譜分佈。而四十多年後,更精確的觀測結果幾乎完美地符合他們的預測。

BAO的成因如下:宇宙剛誕生時,充滿了光子(photons)和重子(baryons)所組成的等離子體(plasma,即電漿)。量子漲落(quantum fluctuations)會造成空間局部的能量/質量不均勻,造成密度較高處有較低的重力位能。此時,重力會將周圍的物質向密度較高處拉,光子所造成的輻射壓力(radiation pressure)則會和重力互相抵抗,如此一來一往,就產生了振動,也就是聲波。這就像是將一重物用彈簧吊起來,重力會將重物往位能較低處拉(也就是向下),但隨著重物往下,彈簧的彈力效應變得明顯,就和重力抵抗並將重物重新向上拉,就產生了震盪。只不過在宇宙初期的等離子體中,彈簧的效應由輻射壓提供,等離子體被壓縮時,光子密度增加,光壓也就跟著增強。而這樣的震盪會在等離子體中傳播,就形成了所謂的聲波。

值得注意的是,此時的宇宙並不是透明的。光子在傳播時會和電漿發生湯木生散射(Thomson scattering),使得光子無法順暢地在等離子體中傳播。直到某一稱為復合紀元(recombination epoch)的時期,此時宇宙冷卻到氫原子可以形成的溫度,電子和質子大量地形成原子,自由電子和質子在宇宙中的佔比大大降地,光子不再容易發生湯木生散射(或者說光子的平均自由徑尺度大到約宇宙大小的尺度),此時光子得以自由地傳播。光子開始自由傳遞後,輻射壓消失,原本形成聲波的機制就再也不能運作,宇宙就被「凍結」在當時的狀態,處於位能低點的光子就以較高的溫度傳播,處於位能高點的光子以較低的溫度傳播,就形成了不均勻的CMB。

暗物質與Λ的加入

自1930年代以來,物理學家開始發展各種理論,預測宇宙中有大量尚未被觀測到的物質。「暗物質」一詞首次在Knut Lundmark的論文中被使用。1973年,Peebles和Jeremiah Ostriker提出銀河系內必存在大量暗物質才能使銀河系的圓盤維持穩定,並引發了大量的後續研究。

在1982年,Peebles提出非相對論性的冷暗物質(cold dark matter)成功修正當時理論對宇宙曲率的計算和實際觀測結果不符的情形。同時,他預測了CMB的溫度不均質程度,並在數年後的宇宙背景探測衛星(Cosmic Background Explorer,COBE)所觀測的數據獲得證實。此理論也被其他學者延伸至更加深入的研究。

1984年,Peebles發現當時剛發表的宇宙暴漲(inflation)理論雖然預測宇宙的時空曲率(curvature)應為0或是非常接近0,但和當時所計算的宇宙密度不符。因此他重新使用了愛因斯坦理論中,原先被遺棄的宇宙常數(cosmological constant,以Λ表示),以修正其中的差距,同時也解決了當時計算最老的恆星年齡大於宇宙年齡的問題。

以上,由James Peebles用宇宙常數Λ、冷暗物質(cold dark matter)的架構, 來描述宇宙演化的這套理論就被稱為ΛCDM模型,也稱作宇宙學標準模型(standard model of cosmology)。隨後,他的理論被一次比一次更精確的CMB探測計畫一一驗證,也因此於獲得2019年諾貝爾物理獎。然而,宇宙發展的謎團尚未被解開,有許多問題仍尚待解答。例如宇宙常數的特性為何?是否真的是常數,抑或是隨時間而變的變數?暗物質的物理性質為何?如此繁多的問題,仍等待新的理論來回答。

 

References:

  1. The Nobel Committee for Physics, "Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2019: Physical Cosmology and an Exoplanet Orbiting a Solar-type Star", org, 2019.
  2. Hu, "CMB Intermediate", Background.uchicago.edu, 2019.
  3. Siegel, E. (2019). "Cosmic Inflation’s Five Great Predictions", June 2015.
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