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    2019年诺贝尔物理学奖解读(4)

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      科普驿站  第二十五期

       

      主题:2019年诺贝尔物理学奖解读

      科目:天文/宇宙学

      难度: C1

      时间:2019.10.19

      讲师:弦轴子


      那我们讲讲老爷子的第三个主要的贡献方向—-暗物质。

      我们依然先来简单回顾一下暗物质的历史。

      1933年,加州理工学院的一名天文学家兹威基在威尔逊山工作期间,注意到位于几千万光年外的一群星系的运动有异常的现象。它们的相对速度是如此的大,以致于可视物质的引力不足以将它们维系在一起,可事实是它们确实在一起。

      2019年诺贝尔物理学奖解读(4)

      这个是很容易通过牛顿万有引力算出(高中物理题的级别)。到底是什么力量在推动着星系旋转、使它们转的如此之快呢?到了20世纪60年代,兹威基在威尔逊山观测的真实意义开始显现出来。对于比我们星系小10万倍的“矮”星系到包含上百个比银河系还要大的星系的星系团的观测,都得到一个毋庸置疑的事实——有一些“看不见的其他东西”存在于这些系统中,以使这些系统的质量大到引力足以让他们维系在一起。 

      那么现在具体讲讲这个异常的引力是怎么回事。20世纪30年代弗里茨·兹威基检查了后发座星系团(星系团是引力束缚的巨大星系集合体)中的星系速度以及其中许多天体的相对红移。他得到了一个惊人的发现,星系团中的不同星系的红移差别很大。这就暗示着这些天体的相对速度很大,这看似并不奇怪。但是当我们把发光星系的质量加在一起,估算系统的总质量时,出现了不可思议的事——星系团中每个星系运动得如此之快,致使它们的速度已经超过了能够使它们摆脱引力的速度,这样来说后发座星系应该是不稳定的,早就应该解体了,但是它依然存在。

      所有的证据表明,星系团是一个稳定的星系混合物。兹威基在1933年得出了这样一个结论:如果星系团的质量比它先前通过发光物质的总和计算出的质量大,星系团就将达到动力学的平衡。

      他是第一个从理论上预言了暗物质存在的人。

      2019年诺贝尔物理学奖解读(4)

      兹威基

      同时他本人也为暗物质的探测树立了一个先例,即使我们不能直接看到暗物质,但可以通过它的引力效应间接地探测到它的存在。

      人们陆续通过观察发现,一些星系自转速度的曲线异常。

      2019年诺贝尔物理学奖解读(4)

      牛顿引力理论与观测结果严重不符,这说明存在某种看不见的力量在推动着星系旋转。

      这就是暗物质最早提出的理由。

      当然你也可以认为目前的引力理论需要被修改,因为在大尺度上并不适应,这也是目前修正引力派的观点和路子。

      第二个证据呢,就是所谓的“引力透镜”。众所周知,广义相对论说时空在大质量天体附近会发生畸变,使光线在大质量天体附近发生弯曲。如果在观测者到光源的视线上有一个大质量的前景天体,则在光源的两侧会形成两个像,就好像有一面透镜放在观测者和天体之间一样。第一个提出应用引力透镜效应在探测暗物质上的就是兹威基本人。

      经过研究,人们认为,暗物质的广义定义就是不参与电磁相互作用的物质。因此只要不参与电磁相互作用的物质都可以被认为是暗物质。这包括一些黑洞等致密天体,也包括一些不参与电磁相互作用的中性粒子,比如中微子等。

      不过人们关心的并不是这些东西,而是某种未知的,甚至不在标准模型之内的粒子充当暗物质的候选者。

      按照这些暗物质粒子的运动速度可以分为三种:

      1.经典速度也是古典速度非常慢,被称为冷暗物质。

      2.速度很大,有明显的相对论效应,被称为温暗物质。

      3.速度接近于光速甚至是光速被称为热暗物质。

      而皮布尔斯老爷子在1970年代初期为建立暗物质问题做出了贡献,主要为冷暗物质模型。

      冷暗物质粒子候选者有很多,只要退耦时(脱离热平衡)为非相对论运动,符合冷暗物质的特点都可以充当。比如,只参与弱作用的重粒子 ( Weakly Interacting Massive Particle, 缩写为WIMP), 在宇宙早期其密度由早期热平衡状态决定。

      它的探寻方法最直接的就是WIMP与一些惰性气体的原子核碰撞。而间接的方法就是WIMP参与弱相互作用,我们观察这些现象,然后反推。另一种讨论甚多的暗物质候选者是轴子( axion) 。这是一种为了解决强相互作用 CP 守恒问题提出的粒子。它的质量小于10^- 2 eV, 但是由于产生机制的原因( 非热产生) , 仍属于冷暗物质。皮布尔斯也在银河系形成的稳定性方向上做出一些贡献,他提出的Ostriker-Peebles标准在银河系形成稳定性上尤为重要。

      在1965年,皮布尔斯开始研究宇宙是怎样从本初状态演化为星系的。有一天他在普林斯顿的同事,天文学家耶利米·欧斯克来找他,欧斯克说,最近他对银河系的行为感到非常困惑。比如,如果旋转一个球状的液滴,它就会变成扁球状,越转越平,最终收缩成块状。对于旋转着的巨大银河系,它应该只需要旋转一圈,就会变成块状,或者分裂成2个。可到目前为止银河系的年龄应该至少允许它转了十几圈。于是,擅长使用计算机模型的皮布尔斯创建了银河系的模型(N体模拟,取一定数目的点,通过编程使它们按照你想要的任何特性发生相互作用,看作用如何展开),皮布尔斯根据银河系的特点,把所有的点排成旋涡状,并让整个系统旋转,结果在第一个2亿年的旋转中,模型中的银河系就出现了灾难性的摇晃。两人都认为,需要某种东西来维持旋转星系的稳定。

      2019年诺贝尔物理学奖解读(4)

      于是,他们为计算机模型加入星系晕,通过不断尝试最终发现,只有不可见的星系晕同星系可见部分的质量大体相当时,银河系才能保持稳定。1973年,他们发表了一篇文章,称银河系的星系晕质量以及其他旋涡星系的星系晕质量可能极其巨大。随后,Peebles等继续分析天文学家已有的观测,并得出一个结论:普通星系的质量可能一直被低估了10个或者更多的量级。

      这些晕现在被认为是冷暗物质,因为所有的暗物质模型中只有它很好地符合实验观测。

      詹姆斯·皮布尔斯在宇宙学上的贡献还有很多。目前的宇宙学标准模型主要就是暴涨+暗能量和暗物质。目前的观测显示还是挺符合老爷子的模型的。

      他几乎经历了整个现代宇宙学的发展历程。在他之前宇宙学还很模糊,属于观测为主,观测引领着理论跑,观测的现象通过创建理论来解释。

      随后他和一批人一起建立了物理宇宙学,宇宙学领域的理论物理。人们可以通过理论上去预测宇宙的结构的演化和行为,然后通过观测数据去验证。

      宇宙学开始从模糊猜测走向精确理论化。


      接下来我们来讲下另一个实验领域的奖项。

      系外行星探索是一个新的方向,这枚奖牌也是这个方向领域的第一枚。马约尔和奎罗兹则因在1995 年发现了太阳系外第一个系外行星而获奖。在1995年前人们没有发现存在系外行星,人们所知道只有八大行星。

      系外行星的搜索主要有掩星法和视向速度法。

      掩星法顾名思义,就是观测行星掠过恒星时导致的光度变化,从而推断出行星的大小。

      而另一种视向速度法,具体而言,对于一个恒星+行星的双星系统,两者皆会绕着共同的质心转动。多普勒效应告诉我们,光源的移动会使人们观察到的波长发生变化。因此,通过观测恒星谱线的移动,我们可以得到出其运动的周期与速度,进一步推断出行星的质量与轨道。两种方法的联动可以得到行星的完整信息。目前,最精密的视向速度观测系统已经可以达到 厘米/秒 级别的精度。

      这师徒俩当年的主要贡献便是提出了视向速度法。

      用这种方法他们在1995年发现了第一颗系外行星飞马座51b,这颗行星与地球相差较大,它类似于木星,只不过它离它的中心天体非常近。它对于其中心天体飞马座51的扰动大概在50米/秒。

      有人说这个领域这种贡献根本就算不上诺奖级别的,但不管怎么说,这个奖也会给这一片新兴领域带来一批人。

      其实对于系外行星探索贡献最大的不是他们二人,有一个人他带着他的团队贡献也很大,只不过这个人后期因为被曝光丑闻而被辞退,随后便消失在学术圈了。

      参考引源:

      《引力论和宇宙论一一广义相对论的原理和应用》S.温伯格

      《广义相对论基础》赵峥,刘文彪

      《超新星爆发机制和数值模拟》王贻仁,张锁春,谢佐恒

      《动力学暗能量的研究》张晓菲

       

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