2017年度邵逸夫天文学奖颁予西蒙 • 怀特 (Simon D M White)以表彰他对理解宇宙里结构形成的贡献。他运用强大的数值模拟,揭示在早期的宇宙中的微小密度涨落怎样发展成现今宇宙所看见的星系和其他非线性结构,提供了有力的证据支持具有平直几何、并由暗物质和宇宙学常数所支配的宇宙模型。西蒙 • 怀特 是德国马克斯普朗克天体物理研究所所长。

最近在宇宙学中非常重要的一项成果是标准宇宙学模型的发展,它解释了宇宙中很多不同类型的观察现象。在这个模型中,微小的初始密度涨落在大爆炸之后不久存在,可能是通过量子涨落而产生。从那时至138亿年之后的现在,这些微小的涨落发展成为当前拥有丰富结构的可见宇宙︰无论在尺码、质量、亮度和外观均涵盖宽广范围的各种星系,巨大的星系团,以及一个庞大而复杂的气体和星系宇宙网,连接着最大的星系团。这个宇宙结构的演变,原则上由众所周知的万有引力定律、流体动力学和相对论所确定,但解决这些方程式一直是个艰巨的挑战。

在过去的四十年里,西蒙 • 怀特与一群杰出的同侪和学生一起研制出N体计算机仿真,作为一种非凡力量的新工具,为宇宙里结构之形成提供基本性的见解。最近的「千禧模拟」以超过一佰亿颗代表暗物质的粒子分布在22亿光年的立方体内,精确地捕捉了大爆炸之后一千万年到现在这期间宇宙结构的演变。在这次模拟的后期处理中,怀特、斯普林吉及同侪们添加了一些小尺度的物理过程模型,来计算在暗物质晕中正常物质的演变。恒星的形成有赖两个过程互相竞争︰一方面气体冷却,另一方面星系中通过超新星和巨大黑洞的活动排出物质。在1991年,怀特和弗伦克首先提出半分析方法,他们最近又对星系属性作出预测,这两组结果现与多种不同的观测相吻合,因此这模拟正开始接近由来已久「在计算机中创造宇宙」的梦想。

现今科学家普遍采纳一套关于非线性结构形成的理论典范,怀特研究和阐明了这套典范近乎所有方面,他在1976年已进行数值实验,显示在引力坍缩时会形成强大的次成团,似乎合理地解释了许多附近的星系团呈现块状结构。1978年,怀特和里斯首先提出︰本质不明的无耗散暗物质构成较大晕,而耗散的正常物质气体向其中心坍缩,遂形成星系。在1980年初,怀特和他的合作团队戴维斯、埃夫斯塔希欧和弗伦克进行了最有影响力的早期数值研究,在逼真的宇宙学模型中仿真非线性结构形成,他们证明,如果中微子的质量足以解释大部分的暗物质,那么,在早期宇宙中微子以相对论速度走动,足以抑制空间结构成长,结论与观测不符。这样的推论设置了中微子质量的上限。从宇宙学出发,能对基本粒子的特性作出规限,这是最早例子之一。

如果暗物质不是中微子的话,怀特和他的合作团队提出暗物质很可能是「冷」的,即相对于宇宙的整体膨胀而言,暗物质粒子没有显着的运动,它们的初始分散速度是可略的。几年后,纳瓦罗、弗伦克和怀特N体模拟中提出了简单的双参数经验定律,说明冷暗物质光晕的密度数据被描述得非常贴切,现以三人命名,普遍被称为NFW分布。

1993年,怀特、伊瓦德、弗伦克和纳瓦罗注意到在星系团中,正常物质与暗物质的比例较意想中高︰如果按照大爆炸中产生的氢氦比例,并假设一个临界密度及由暗物质支配的宇宙,预期的正常物质与暗物质比例要低很多。他们因而提供了论据,支持暗物质密度较低的说法,因此,宇宙中大部分的质能是以宇宙常数的形式存在,现在一般称为暗能量。

宇宙学家已用了一个世纪的时间来探索在宇宙中星系和其他结构起源的问题。在过去的一段时间,我们在理论的范畴取得了巨大的进展。怀特用了超过数个年代的时间,领导日趋逼真的数值模型,脱颖而出。这些成就,为今后几十年的工作打下了基础,通过更精密的计算,我们可以期待彻底明白这些结构究竟是如何出现的。怀特成就卓越,为2017年度邵逸夫天文学奖的合适人选。

近期在宇宙背景辐射和星系空间分布、星系际气体分布以及许多其他现象的精确观测中证实了宇宙学标准模型的正确性。今天强效的望远镜和检测,正以史无前例的准确性在验证怀特及他同事的预测。还有近年兴建中或正在计划的地面和太空望远镜,每项耗资以十亿美元计,这些庞大观测设施背后的科学动力,就是要进一步检测我们对宇宙结构形成的理解,从而告诉我们宇宙的年龄、大小、几何、含量和起源,此外还告诉我们关于物理学基本规律的知识。

 

邵逸夫天文学奖遴选委员会
(译自英文原稿)


2017年7月28日  香港 (修定版)