2018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。他探測了在過去形成恆星過程中,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。尚−盧 • 普吉 是法國國家科學研究中心及法國巴黎第十一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。

紅外至亞毫米光譜範圍為觀察宇宙打開了一個獨特的窗口。這種輻射能夠穿透星際介質中的遮掩物質,同時能夠探測該等物質的性質。在這個範圍內的最長波長,即約1毫米附近,亦能通過觀察宇宙微波背景(CMB),為宇宙處於大約40萬年歲時的情況提供訊息。尚−盧 • 普吉 為所有這些研究領域作出了至為關鍵的貢獻。

萊熱和普吉於1984年利用星際塵埃3至12微米範圍的光譜特性來論證,星際介質的主要成分,除了固體塵埃顆粒外,還有多環芳香族碳氫分子。

微小塵粒在吸收紫外線時會被加熱,並在遠紅外範圍重新輻射。這種輻射的總強度能夠顯示宇宙恆星的形成,在整個宇宙歷史的總和,有關的100微米背景,正是普吉等人於1996年首次發現的。

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,他以此為基礎,更上層樓,領導歐洲太空總署普朗克衛星高頻儀器 (HFI) 的發展和科學開發。普吉和他的國際團隊於2009年至2013年間利用高頻儀器的新型低溫感應器,測量由宇宙微波背景和銀河系的塵埃及氣體引起的前景輻射,觀測範圍涵蓋350微米至3毫米,並取得極好的靈敏度。通過研究這些短波段,高頻儀器研究宇宙微波背景,其角分辨率比較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。高頻儀器對前景灰塵輻射的敏感度也是獨一無二。前景灰塵輻射在短波長範圍佔主導地位,分離前景的能力非常重要,令普朗克的結果能夠極度精確地測量出宇宙學參數 — 例如,測量暗物質的總密度精確度為2%。

這些精確的結果提供了可能,容許我們探測在宇宙大爆炸後遠少於一秒內的情況。在這假設性的暴脹時代,放大的量子漲落可能會造成初始密度漲落和原始引力波。引力波會扭曲宇宙微波背景,但扭曲微弱,易與灰塵前景輻射有所混淆,極難測定。普朗克計劃把前景精確分離出來,證明了原始引力波的真實水平必須低於最簡單的暴脹模型所預測。它還證明密度漲落是純粹高斯分佈,在可檢測的水平上沒有相位相關性。這些結果馬上否證了大量暴脹理論。雖然我們仍然未能確證暴脹曾經發生,更不知道什麼導致暴脹發生 — 但我們已經排除了很多可能性。

現在,宇宙正在加速擴張。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。或者,加速顯示重力規律在大尺度須要修正,若然如是,宇宙中的密度漲落將以非標準速率發展。普朗克計劃能檢視這種效應,因為宇宙微波背景輻射受到質量漲落的介入而偏折。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。推論所得的紅外前景質量密集分佈與遠紅外背景的漲落呈現密切位置關連;後者源於充滿塵埃、正在形成星體的星系,而有關的綜合效應正是普吉在二十多年前最早發現的。這項工作令普吉的一系列研究回到起點,圓滿自洽。

最後,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,令人們對宇宙恆星形成的歷史得到一個更趨完整的構圖。


邵逸夫天文學獎遴選委員會
(譯自英文原稿)


2018年5月14日  香港