2017年度邵逸夫天文學獎頒予西蒙 • 懷特 (Simon D M White)以表彰他對理解宇宙裡結構形成的貢獻。他運用強大的數值模擬,揭示在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、並由暗物質和宇宙學常數所支配的宇宙模型。西蒙 • 懷特 是德國馬克斯普朗克天體物理研究所所長。

最近在宇宙學中非常重要的一項成果是標準宇宙學模型的發展,它解釋了宇宙中很多不同類型的觀察現象。在這個模型中,微小的初始密度漲落在大爆炸之後不久存在,可能是通過量子漲落而產生。從那時至138億年之後的現在,這些微小的漲落發展成為當前擁有豐富結構的可見宇宙︰無論在尺碼、質量、光度和外觀均涵蓋寬廣範圍的各種星系,巨大的星系團,以及一個龐大而複雜的氣體和星系宇宙網,連接著最大的星系團。這個宇宙結構的演變,原則上由眾所周知的萬有引力定律、流體動力學和相對論所確定,但解決這些方程式一直是個艱巨的挑戰。

在過去的四十年裡,西蒙 • 懷特與一群傑出的同儕和學生一起研製出N體電腦模擬,作為一種非凡力量的新工具,為宇宙裡結構之形成提供基本性的見解。最近的「千禧模擬」以超過一佰億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。在這次模擬的後期處理中,懷特、斯普林吉及同儕們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。恆星的形成有賴兩個過程互相競爭︰一方面氣體冷卻,另一方面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。

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,懷特研究和闡明了這套典範近乎所有方面,他在1976年已進行數值實驗,顯示在引力坍縮時會形成強大的次成團,似乎合理地解釋了許多附近的星系團呈現塊狀結構。1978年,懷特和里斯首先提出︰本質不明的無耗散暗物質構成較大暈,而耗散的正常物質氣體向其中心坍縮,遂形成星系。在1980年初,懷特和他的合作團隊戴維斯、埃夫斯塔希歐和弗倫克進行了最有影響力的早期數值研究,在逼真的宇宙學模型中模擬非線性結構形成,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,在早期宇宙中微子以相對論速度走動,足以抑制空間結構成長,結論與觀測不符。這樣的推論設置了中微子質量的上限。從宇宙學出發,能對基本粒子的特性作出規限,這是最早例子之一。

如果暗物質不是中微子的話,懷特和他的合作團隊提出暗物質很可能是「冷」的,即相對於宇宙的整體膨脹而言,暗物質粒子沒有顯著的運動,它們的初始分散速度是可略的。幾年後,納瓦羅、弗倫克和懷特N體模擬中提出了簡單的雙參數經驗定律,說明冷暗物質光暈的密度數據被描述得非常貼切,現以三人命名,普遍被稱為NFW分佈。

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意想中高︰如果按照大爆炸中產生的氫氦比例,並假設一個臨界密度及由暗物質支配的宇宙,預期的正常物質與暗物質比例要低很多。他們因而提供了論據,支持暗物質密度較低的說法,因此,宇宙中大部分的質能是以宇宙常數的形式存在,現在一般稱為暗能量。

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。懷特用了超過數個年代的時間,領導日趨逼真的數值模型,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,為2017年度邵逸夫天文學獎的合適人選。

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。

 

邵逸夫天文學獎遴選委員會
(譯自英文原稿)


2017年7月28日  香港 (修定版)