美國天文學家斯穆特誕辰


喬治·斯穆特(George Fitzgerald Smoot III,1945年2月20日-),美國伯克利加州大學物理學教授,天體物理學家、宇宙學家。喬治·斯穆特和約翰·馬瑟因「發現了宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性」而分享了2006年諾貝爾物理學獎。

這個使用 COBE(Cosmic Background Explorer 宇宙背景探測)衛星的工作,有助於鞏固宇宙大爆炸理論。據諾貝爾獎委員會的記載,「此 COBE 計畫,堪稱是宇宙學步入精確科學的一個起點」。

喬治·斯穆特從事宇宙學的研究,並前往威廉·勞倫司國立實驗室繼續他的研究。在威廉·勞倫司國立實驗室,他與Luis Walter Alvarez合作進行了HAPPE實驗,利用一個平流層氣球來探測大氣層上部的反物質。隨後,他對阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜於1964年發現的宇宙微波背景輻射產生了興趣(CMB)。當時,有許多關於宇宙結構等充滿爭議的基本問題。 一些宇宙模型推測宇宙是一個不停旋轉的整體,因此宇宙微波背景輻射就會受到影響:觀察的方向不同,它的溫度就應該不同。 在Alvarez和Richard A. Muller的幫助下,斯穆特製作了一個輻射差值測量計,用於觀測兩個夾角為60度的方向上宇宙微波背景輻射的差別。這個儀器被安裝在洛克西德的 U-2 偵察機上,並成功地測定了宇宙的整體旋轉是零(不超出儀器的精確範圍)。同時,這個儀器探測到了宇宙微波背景輻射溫度上另一種形式的變化——偶極異向性。

這個偶極的圖案(宇宙微波背景輻射在天空的一側溫度較高,另一側的溫度則較低)是一種地球相對於背景輻射的運動帶來的多普勒效應,它被稱作最後散射面。 這個多普勒效應產生的原因是由於太陽(實際上整個銀河系)並非靜止的,而是以接近於600 km/s的速度相對最後散射面運動。這可能是由我們星系和巨引源(又被稱為「大引力子」)之間的萬有引力引起的。

怎樣才能得到宇宙微波背景輻射黑體譜的完整譜形?怎樣才能檢測出微乎其微的宇宙微波背景輻射的異向性?馬瑟和斯穆特領導的研究團組決心要解決這兩個難題。1974 年,馬瑟提議發射專門用於探索宇宙背景的衛星,宇宙背景探測者(Cosmic Background Explorer,簡稱 COBE衛星),對微波背景進行探測。提議獲得美國太空總署的批准。美國太空總署最初打算用太空梭將 COBE 衛星送入太空。

但 1986 年挑戰者號失事後,太空梭停飛數年,COBE 衛星的前途莫測。為了能讓 COBE 早日飛上天,馬瑟和斯穆特與同事們專門爭取到一枚火箭,最終於 1989 年11月將 COBE 衛星送入太空。馬瑟作為 COBE 衛星科學專案的首席科學家自始至終領導和協調了 COBE 的觀測以及對 COBE 觀測資料的分析研究。借助 COBE 衛星,馬瑟領導的研究團組,首次完成了對宇宙微波背景輻射的太空觀測,精確地測量出宇宙微波背景輻射各個波長的黑體譜形。利用太空的有利條件,他們一次完成了各個波長上的測量。彌補了過去由許多人的觀測結果拼湊出並不完整的黑體譜這一遺憾。

他們對 COBE 衛星測量結果進行分析計算後發現, COBE 衛星觀測到的宇宙微波背景輻射譜與溫度為 2.74K 的黑體輻射譜非常符合,與大爆炸宇宙學所預言的結果非常一致。換句話說,他們更精確地驗證了宇宙微波背景輻射的黑體譜形的特徵。在 COBE 衛星項目中,斯穆特主要負責測量微波背景輻射微小的溫度波動。

1977 年,以斯穆特為首的天文學家小組,曾經將靈敏輻射儀放置在退役的 U2 高空偵察機上,在大氣層上面飛行,得到了關於背景輻射中溫度變化的第一個證據,叫做偶極異向性現象。天空的微波輻射在沿著地球運動的方向熱一些,在反方向冷一些。這是由於地球隨著太陽在宇宙當中向前穿行所產生的。

我們的地球繞著太陽運行,太陽繞著銀河系的中心轉動,銀河系在本星系群中運動,本星系群又朝室女座星系團運動。本星系群相對于宇宙微波背景輻射的運動速度是最快的。偶極異向性是一種多普勒效應,並不是宇宙微波背景輻射本身的異向性。

斯穆特在 1977 年觀測的基礎上,設計了一個叫做差動微波輻射計(Differential Microwave Radiometer,簡稱 DMR)的特殊的精度更高的儀器,放置在 COBE 衛星上。DMR 由 3.3mm、5.7mm 和 9.6mm 三個不同射電波長的三個輻射計組成。在這三個波長上,宇宙微波背景輻射的強度大大高於其他波長的強度。

斯穆特又為這個儀器設計了一對天線,使用這對天線去測量兩個不同天區的溫度差,能夠測出 1% 的溫度差,獲得比其他輻射計精度更高的觀測結果。1992 年 4 月,斯穆特激動地宣佈了,他們利用 COBE 衛星的觀測結果--發現了期待已久的宇宙微波背景中的微弱的異向性現象,這是在 1 億光年大小的天區內的熱的和冷的變化。這些區域內的溫度變化相對於平均溫度為 2.74K 的微波背景來說,變化幅度僅有百萬分之六。這微弱的溫度起伏是由引力起伏造成的,也就是由物質密度的不均勻造成的。

馬瑟和斯穆特領導的團組,利用 COBE 衛星所進行的觀測和研究,更精確、也更全面地驗證了宇宙微波背景輻射的兩個特徵,他們的工作使宇宙學的研究,進入了一個更為精確的新時代。約翰·馬瑟和喬治·斯穆特獲得2006年諾貝爾物理學獎。他們於2006年12月10日,赴斯得哥爾摩接受諾貝爾獎評審委員會對他們的頒獎。

【資料:維基百科 ;訊息由林景明提供】

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