2014邵逸夫天文學獎頒予丹尼爾.愛森斯坦 (Daniel Eisenstein)肖恩.科爾 (Shaun Cole)約翰.皮考克 (John A Peacock),以表彰他們在測量星系大尺度結構特徵上的貢獻,這些測量包括重子聲振盪 (BAO) 和紅移空間扭曲,其結果足以對宇宙學模型作出約束。愛森斯坦為美國哈佛大學天文學教授;科爾為英國杜倫大學物理學教授;皮考克為英國愛丁堡大學宇宙學教授。

早期宇宙的溫度很高,密度也很大。重子物質高度電離,由裸原子核和自由電子組成,稱為等離子體。無論當時還是現在,光子的數目較原子核或電子都多很多。由於光子和電子的散射,使等離子體和光子緊密耦合。這種情況在大爆炸後的初期維持了40萬年,直至溫度降至3000 開氏度,電子和原子核遂結合成中性原子,與光子解耦,中性原子與光子變成互相獨立的系統。

在宇宙大爆炸之後不久,受密度擾動產生重子聲波,這些密度起伏,就是最後形成銀河星系的種子。重子聲波在原始等離子體系與光子解耦前出現,並以大約光速的一半速度傳播。解耦之後,聲波停止傳播,留下了印跡,相當於今天物質密度在4億5千萬光年尺度所明確出現的相關性。

重子聲振盪尺度提供了一個「標準尺規」,在宇宙學上有許多應用。首先,宇宙微波背景輻射的溫度呈現角度約為一度的起伏,而在2005年,兩篇論文報告了在星系空間分佈中發現重子聲振盪現象。在垂直於視線方向,標準尺規所展示的角度,校準了距離和紅移的關係;而沿視線方向,則決定了哈勃參數與紅移的函數關係。因而證實了前人利用Ia類超新星作為「標準燭光」推導出的驚人發現,即宇宙膨脹已在不久前由減速轉變為加速。

以下還要說明紅移空間扭曲,以及它如何與重子聲振盪現象的協同作用。宇宙的密度不均勻,與物質出現大尺度流動,這兩個現象密切相關,且互為因果。一方面,密度不均勻產生引力加速,驅使物質流動;而反過來,物質流動又令密度更不均勻。早年量度的紅移空間扭曲對宇宙的平均密度作出了初步限制,而星系呈現的大尺度流動扭曲了重子聲振盪的「標準尺規」。但從星系的大尺度聚集的觀測,可推論出有關的引力場分佈,若以此為基礎,模擬星系流動的情況,可以很大程度上矯正扭曲,重構尺規。
 
最後一談當前頒發的獎項與在2004年、2006年和2010年所頒獎項的關係。2004年所頒獎項部份與重子聲振盪的預測有關,2006年所頒獎項表揚宇宙的膨脹正在加速的傑出的發現,而最近2010年所頒獎項則表揚WMAP衛星對微波背景的精確量度,使宇宙學基本參數得以確定。


邵逸夫天文學獎遴選委員會
(譯自英文原稿)


2014年5月27日  香港