号外:2011年Nobel物理学奖–高红移超新星研究中的宇宙学

(今天最大的消息莫过于2011年Nobel物理学奖颁发给了三位利用高红移超新星研究从观测上给出了宇宙加速膨胀证据的科学家,他们是来自加州大学伯克利分校的Saul Perlmutter, 来自澳大利亚国立大学的天文学与天体物理学研究中心的Brian Schmidt和来自美国约翰-霍普金斯大学的Adam Riess;这三位科学家的获奖既在情理之中,也略微有些意外,情理之中是他们的工作是如此的重要,以至于想不到有什么理由不获奖,追溯宇宙的本源和性质,还有比这听上去更爽的工作吗?)

(说有些意外是我个人的想法,因为这个重要的工作结果出世刚刚13年,还有很多后续的工作正在进行当中,而且很多人都寄希望于JWST最终给出定论,加上。。。。三位科学家都还相对年轻,最年轻的Adam Riess出生于1969年,我一直以为可能要在等些年才能看到他们获奖,毕竟发现暗物质存在证据的Vera Rubin已经80多高龄几经提名依然没有获奖,部分原因就是暗物质探测的直接证据还没有找到,所以,似乎很难相信,揭示了更不可理解的”暗能量“存在的观测这么快拿奖;不过近几年来,他们确实几乎横扫了天文学家能拿到的所有奖项,比如2006年的邵逸夫天文奖等;无论怎样,天体物理学家在几年中连续获奖对于天体物理学的发展甚至天文学的普及都是一件难得的大好事,必须要认真的庆祝一下;这里我们特别给大家整理了一些关于三位天文学家和他们工作的资料信息,主要是各种网上资料和科学文章的链接,毕竟以我的宇宙学水平实在不敢在没认真了解的时候就妄加评论,而且,马上大家就能看到各种介绍他们工作的文章了)

2011年Nobel物理学奖花落天体物理,三位天文学家分享了这个巨大的荣誉,图片来自Nobel奖官方网站

Nobel奖官方给出的获奖理由是“for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae”,通过对遥远超新星的观测发现了宇宙的加速膨胀,简单的说,利用遥远星系中的一类具有特殊性质的超新星暴发(SNIa)作为标准烛光测量距离,研究宇宙尺度相对于如今我们看到的宇宙尺度的演化,结合对宇宙学模型的认识,可以帮助我们理解宇宙的膨胀历史和一些重要的基本参数的演化,这是一项从观测,到理论上都无比壮观也无比困难的工作,从利用临近宇宙的各种距离阶梯对当前宇宙的哈勃常数进行估计,对各种高红移距离指示器的定标,大量的地面和空间观测寻找足够多,且覆盖了足够大红移范围的超新星,对超新星性质的具体讨论,其宿主星系的各种性质,比如尘埃消光等对把SNIa作为标准烛光的危害。。等等等等,想把这个工作背后的亮点和意义介绍清楚绝对不是一件容易的事情,远远超出了我个人的能力范围,不过我尽力的把能找到的可靠资源介绍给大家,请大家自己探索吧。

首先给大家推荐几个来自国外科学家或者可靠的科普作者的blog关于这次获奖的报道吧,首先是来自著名的Bad Astronomy网站对获奖的报道,文章中还提到了作者自己多年前的预测,虽然很短小的文章,但是后面给出了这些年来对这个工作的各种报道和相关资料,非常值得一读;ScienceDaily网站也有一篇比较官方的报道,不过信息量更多一些,如果有同学想翻译或者在国内的转载这个消息,完全可以以这篇介绍为基础,记得转载要注明哦;In The Dark是来自Cardiff大学的宇宙学家Peter Cole的科学和科普blog,他自然不会放过这么重要的事情,首先是一篇对获奖的简短介绍,在文中他还特意提到了Brian Schmidt是他blog的读者之一,大家可以去围观,另外,随后的一篇blog中,作者还提到了ESA刚刚把以研究暗能量性质的项目EUCLID正式选择为研发目标,用作者的话说,今天真的是”Dark Energy’s Day“;在Peter的blog中还特地的提到了这样的一个链接,这个叫做Guardian的blog用几乎直播的方式介绍了获奖消息的发布和各种八卦,大家果断跟上吧,能看到几位获奖人接到电话和庆祝的照片,科学界的各种祝贺,以及像Adam Riess和Brian Schmidt曾经师从哈佛大学的Robert Kirshner的八卦等等;来自 Imperial College London 的,同为宇宙学研究者的Andrew Jaffe在自己的blog上也用了”A Big Day for Dark Energy“这样的标题介绍了他对这次获奖的看法;另一位理论天体物理学家Ethan Siegel在自己的blog,Starts with a Bang上面也用图文并茂,通俗易懂的方式介绍了这个获奖工作的意义,非常推荐大家去看一下;来自Caltech的Sean Caroll也在自己的blog,Cosmic Variance上面详细的介绍了这次获奖,也带来了他的祝贺,同时,多年来,Sean在自己的blog上曾经介绍过很多关于宇宙模型和暗能量的文章,在这里你也可以找到他们的链接,一次补课,终身收益;来自PSU的物理学家Steinn Sigurðsson在自己blog上给出的介绍显然要更专业一些,其中包括了一些重要的历史背景和重要科学文章的链接,相信这些内容更对某些读者的胃口;不过如果你和我一样对宇宙学了解不多的话,也别着急,这么重要的发现,HST在NASA的网站上早就用声情并茂的交互式动画介绍了关于暗能量的研究

HST望远镜发现的高红移SNIa超新星,正是他们,带来了宇宙加速膨胀的发现

介绍完了一些blog的报道,让我们再来看看三位获奖者吧;在三个人当中,最年长的是Saul Perlmutter,他1981年毕业于哈佛大学,1986年在加州大学伯克利分校拿到了博士学位,他发起了超新星宇宙学项目,通过10多年的研究,不仅得到了大量的超新星的新研究结果,还孕育出了宇宙加速膨胀这样的牛逼结果;这里必须要向希望认真了解工作背景和细节的同学推荐一下他们的Supernova Cosmology Project的主页,这个紧凑的主页上面有大量的关于超新星和宇宙学的研究进展的介绍,图文并茂,对于没有时间读这10多年来他们研究文章的人来说,这里是非常好的学习途径,比如这篇2003年Perlmutter发表在
Physics Today上面的关于暗能量的综述文章
“Union 2” SNIa数据集的情况利用HST研究星系团中的超新星的工作进展,等等,总之非常的充实。此外,Saul还是The Nearby Supernova Factory项目组中的科学家,这个项目同样也为超新星研究做出了很大的贡献;而且Saul还是一个未来的项目SNAP:the SuperNova Acceleration Probe的首席科学家,这个空间卫星项目就是为了通过超新星观测确定宇宙加速历史而设计的,虽然项目的进展如何还不知道,但是也是一个非常值得期待的项目。

关于Saul以前和现在领导的项目的科学进展,请参考上面提供的链接中提供的最新发表文章,下面我们另外提供几篇Saul Perlmutter作为第一作者发表的重要文章:
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Supernova Cosmology项目中结合了超新星和其他观测数据对宇宙学模型中的两个重要参数给出的限制

获奖人中来自JHU的Adam Riess是三个人中最年轻的,这些年来可谓是偶像级别的天文学家,即便你不关注宇宙学的科学进展,一样可以在Times, Scientific American等各种公众杂志上看到对他的介绍和褒奖,不过Adam的工作完全对的起这写荣誉和称赞,在1998年做出了最终获得了Nobel奖的工作之后,Adam丝毫没有减慢探索的脚步,依然在超新星和宇宙学领域非常的活跃;这位目前任教于JHU的天体物理学家本科毕业于MIT,同样在哈佛大学拿到博士学位,有兴趣的同学可以去看看他的简历,非常的impressive;10多年前,他领导的High-z小组利用HST望远镜观测到的高红移SNIa,和Perlmutter的结果一起,给出了宇宙加速膨胀的直接观测证据,在这之后他们又于2001年发现了当时已知最高红移超新星,位于z~1.7的SN1997ff的观测结果;在2004年,另一篇及其重要的文章中,Riess领导的团队利用HST观测的红移大于1处的SNIa找到了宇宙演化历史中先减速,再加速膨胀的证据,并且对暗能量的状态方程给出了限制,并在2007年再次更新了这个重要的结果;而在2011年刚刚发表的一篇工作中(已经被引用了53次),Riess把目光转向了临近的宇宙,利用了HST上面的新神器Wide Field Camera 3对一些有SNIa暴发记录的临近星系中造父变星的观测,进一步的限制了Hubble常数和其不确定性的来源(“3% Solution”,这已经是目前观测能给出的最好的解答,利用JWST,可以把不确定性降低到2%,别小看这1%,对宇宙学模型的讨论有着重要的影响)也对SNIa的标准烛光特性进行了更仔细的考察和校准。。。。等等等等,这里面每一篇工作都非常值得学习;不过对于天体物理背景知识还不够的同学也不用担心,在Riess主页上,同样可以找到几个面向公众的科普文章或者科学报告,非常值得推荐给大家

这里我们同样列出了Riess同学的10篇最受关注的科学论文给感兴趣的同学:
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WFC3/HST观测下的临近旋涡星系NGC5548,图中圆圈标志出了这写可爱的造父变星,正是他们让超新星的宇宙学研究成为了可能;图片来子Riess et al. 2011 ApJ 730:119

另一位获奖者Brian Schmidt来自澳大利亚国立大学下属的天文学和天体物理学研究所(RSAA),这个研究所的前身是著名的 Mount Stromlo and Siding Spring 天文台;这位出生在美国蒙大拿州的天文学家来自一个生物学家的家庭,也许正是这种熏陶塑造了他对自然的深刻兴趣,Brian本科毕业于Arizona大学,随后同样是在哈佛大学拿到了博士学位,在那里,他跟随着著名的天文学家Robert Kirshner曾经尝试用II型超新星测量Hubble常数;在哈佛大学读博士的时候,他遇到了他未来的夫人,一位来自澳大利亚的经济学博士;在毕业后,他便搬到了澳大利亚,在当时的Stromlo天文台开展工作,其中就包括了他领导的High-z Supernova Search小组,利用位于南半球的智力Cerra Tololo泛美天文台的CTIO 4-m望远镜开展高红移SN搜索工作,他们和Perlmutter,Riess领导的小组的工作结果都在1998年发表,一起给出了宇宙加速膨胀的证据,虽然这篇工作在影响力上明显不如前两位获奖者的工作,但是正是两个独立小组工作的互相补充和作证才使得这个重要,但是同样非常让人惊讶的结论变得更加让人容易接受,所以获得炸药奖也是实至名归的;关于他们的研究,大家同样可以参考The High-z SN Search的主页,其中他们还给出了关于这个领域的一个非常好的介绍性文章,并且还有一个专门的面向公众的网站介绍其科学工作;此外,目前这个项目还进一步演化成了一个叫做ESSENCE:Measuring the Equation of State of the Universe的项目,同样是利用CTIO的4m Blanco望远镜对高红移超新星研究做出了重要的贡献;而且,目前Brian还领导着一个新的南天测光巡天项目:SkyMapper,这架位于澳大利亚Siding Spring天文台的1.35米望远镜开展的快速和自动的巡天不仅可以在未来发现更多的超新星,在其他领域,比如星系巡天,GRB研究,近地天体的发现上,也会有很好的作为。

上面我们简单的介绍了一下2011年Nobel物理学奖获得者的主要工作项目和科研背景,希望将来能有更多的机会给大家介绍相关的工作,也希望有更了解这些工作的同学为我们投稿;能够生在这样的一个时代见证这样重要的科学进展,的确是一件非常让人开心的事情,而天体物理学在几年当中连续获奖也佐证了这个领域的生机和活力;尽管Nobel物理学奖在颁发和天文相关的工作的奖项的时候多少会有一些bias,尽管可能大家看到的关于这个奖项的报道会被“宇宙起源”“暗能量”这样吸引眼球的词汇充满,但是对于真心想要了解这个重要的科学进展,甚至将来涉足天体物理或者宇宙学研究的同学,还是希望大家在兴奋之余,更多的了解一下这个以需要极大耐心,技巧,难度很大的天文学观测工作。

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6 Replies to “号外:2011年Nobel物理学奖–高红移超新星研究中的宇宙学”

  1. Lei Hou

    Firefox 7.0.1 Windows XP

    挑个笔误:“这篇2003年Perlmutter发表在Physics Today上面的关于暗能量的总数文章”,是综述不是总数

  2. skydreamer

    Firefox 3.6.18 Ubuntu 10.04

    写得不错,顶。
    在这三个人中,最喜欢读Riess的文章,没办法,他的文章条理,思路实在太清晰了:第一部分观测,第二部分数据分析处理,第三部分结果,第四部分讨论。几乎每篇文章都是这样,而且概念叙述的特别清楚,哪怕是小白看了他的文章都会对这个领域获得粗略的了解。相比之下,Permultter的文章就有些老手向了,对这个方向不了解的人读起来要困难的多。偶像还是Riess啊。。。

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