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解讀2019諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng):因?yàn)樗麄?人類重新認(rèn)識(shí)宇宙

www.kjdzwh.cn  2019-10-09 14:37  

  出品| 新浪科技《科學(xué)大家》

  撰文| 茍利軍,中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員,恒星級黑洞研究團(tuán)組首席科學(xué)家,中國科學(xué)院大學(xué)天文學(xué)教授,《中國國家天文》雜志執(zhí)行總編

  2019年10月8日,2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉:加拿大裔美國科學(xué)家詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles),瑞士科學(xué)家米歇爾·馬約爾(Michel Mayor),瑞士科學(xué)家迪迪!た迤潱―idier Queloz)三人獲獎(jiǎng)。 其中一半獎(jiǎng)金授予美國普林斯頓大學(xué)的詹姆斯·皮布爾斯,獲獎(jiǎng)理由是“對于物理宇宙學(xué)方面的理論發(fā)現(xiàn)”,另一半獎(jiǎng)金授予瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的米歇爾·馬約爾和瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)/英國劍橋大學(xué)的迪迪!た迤,獲獎(jiǎng)理由是“發(fā)現(xiàn)了圍繞其他類太陽恒星運(yùn)行的系外行星”。

  在我剛剛從雁棲湖教完課,還在回程路上,就被這三位天文學(xué)家獲得2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的消息包圍。

  就是他們了!2019諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主

  本來分別有可能獲獎(jiǎng)的領(lǐng)域,現(xiàn)在同時(shí)獲獎(jiǎng),的確有些讓人意外,不過也是意外而自然。

  在天文學(xué)界,皮布爾斯的名字是如雷貫耳,可以說是宇宙學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的先驅(qū)性人物,自從1970年以來,他被廣泛認(rèn)為是世界領(lǐng)先的理論宇宙學(xué)家,在這期間,他主要對原始核合成,暗物質(zhì),宇宙微波背景和結(jié)構(gòu)形成等領(lǐng)域做出了理論貢獻(xiàn)。也正是他的很多貢獻(xiàn),才使宇宙學(xué)進(jìn)入了真正的精確宇宙學(xué)時(shí)代。之前我曾經(jīng)在很多場合聽到過眾人談?wù)撈げ紶査褂型锚?jiǎng)的可能。俗話說,只要活得久就有可能,今年84歲的皮布爾斯終于等到了,他的獲獎(jiǎng)可稱得上實(shí)至名歸。

  老爺子還為我們帶來了雞湯——“獎(jiǎng)項(xiàng)雖然也很重要,但要因?yàn)闊釔鄹憧蒲胁判邪!?/p>左側(cè)是宇宙未知的起源點(diǎn),逐漸向右側(cè)擴(kuò)展,形成一個(gè)不斷變暗的宇宙。右側(cè)的曲線指示背景輻射

  揭示宇宙歷史

  現(xiàn)代宇宙學(xué)揭示了宇宙的歷史,以及宇宙中令人意想不到的物質(zhì)和能量組成部分。與此同時(shí),人們發(fā)現(xiàn)太陽遠(yuǎn)不是銀河系中唯一具有行星的恒星。新的發(fā)現(xiàn)顯示,行星系統(tǒng)具有廣泛的多樣性。在過去的幾十年里,我們不僅對宇宙的理解發(fā)生了深刻的變化,而且我們也對地球在宇宙中所處的地位看法也發(fā)生了巨大的改變。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)關(guān)注的正是這些突破性的發(fā)現(xiàn)。

  如此令人興奮的發(fā)展之所以成為可能,要感謝過去半個(gè)世紀(jì)以來,物理學(xué)家們在宇宙學(xué)理論框架中的突破性發(fā)現(xiàn)。今年的諾貝爾獎(jiǎng)得主皮布爾斯在這個(gè)領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。他通過詳細(xì)的建模,李耐閱微博并利用分析和數(shù)值方法,對宇宙的基本屬性進(jìn)行了探索,發(fā)現(xiàn)了意想不到的新物理學(xué),F(xiàn)在,我們有了一個(gè)統(tǒng)一的模型,能夠描述宇宙從最初的幾分之一秒到現(xiàn)在以及遙遠(yuǎn)未來的狀態(tài)變化,對我們的宇宙做出一個(gè)精確的描述。

  曾幾何時(shí),宇宙學(xué)是一門充斥著沒有堅(jiān)實(shí)依據(jù)的猜想,數(shù)據(jù)也少得可憐。但今天,宇宙學(xué)已經(jīng)成長為一門精確的數(shù)學(xué)科學(xué),愈發(fā)精確的觀測數(shù)據(jù)正發(fā)揮關(guān)鍵性作用。發(fā)現(xiàn)的時(shí)代并未終結(jié)。隨著測量精度越來越高,我們將有可能發(fā)現(xiàn)全新的,此前未能預(yù)料到的現(xiàn)象。物理宇宙學(xué)將為我們帶來更多驚喜,而皮布爾斯正是那個(gè)將我們引向發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)路人。

  而對于馬約爾和奎洛茲,我平常對于這個(gè)系外行星領(lǐng)域比較關(guān)注,所以也是多了一些了解。

右側(cè)是馬約爾,左側(cè)是他的學(xué)生奎洛茲

  自從天文學(xué)家?guī)椭覀冋J(rèn)識(shí)到宇宙及其廣袤之后,一個(gè)很自然的問題就出現(xiàn)了。

  宇宙其他地方還有生命存在嗎?

  宇宙這么大,除了地球,還有其他地方有生命存在嗎?或者說,有沒有其它的星球適合于生命的存在?2014年年底的《星際穿越》電影和2019年年初上映的科幻大片《流浪地球》都是講述了地球面臨災(zāi)難,尋找新的家園的事情。?許在接下來的一兩百年,我們的地球會(huì)安然無事,然而,上萬年或者更久的一點(diǎn)的時(shí)間之后,地球的環(huán)境變化就可能不太適合生命的居住。過世的物理學(xué)家霍金就曾預(yù)測,如果人類不保?環(huán)境,節(jié)省能源,那么用不了上萬年,只需幾百年的時(shí)間,我們就需要離開這個(gè)生我們養(yǎng)我們的藍(lán)色星球。所以尋找尋找適宜的系外行星就是天文學(xué)家的一個(gè)目標(biāo),也是在幫助未來的人類做著未雨綢繆的事情。

  尋找地外行星的工作從上世紀(jì)80年代開始發(fā)展,終于在90年代的時(shí)候,取得了突破。此次獲獎(jiǎng)的兩位都是瑞士的天文學(xué)家,還是一對師生。他們?yōu)閷ふ姨栂抵獾男行亲龀隽碎_創(chuàng)性的工作,在1995年的時(shí)候,他們提出了一種叫做視向速度法的方法,在飛馬座51恒星周圍發(fā)現(xiàn)了一顆軌道周期為4.2天的行星,這就是我們現(xiàn)在熟知的飛馬座51b(命名方式是結(jié)合了發(fā)現(xiàn)時(shí)間和距離遠(yuǎn)近兩種方式,先時(shí)間后距離,同時(shí)發(fā)現(xiàn)按照從內(nèi)自外,字母順序從b開始)。

  51 Pegasi擁有一顆質(zhì)量與木星相當(dāng)?shù)男行恰?995年的這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著一片全新的天體物理學(xué)領(lǐng)域就此開啟,即對系外行星與行星形成過程的研究。

  這次探測,真正開啟了人類探測系外行星的時(shí)代。

  這里值得一提的還有一位科學(xué)家,他就是美國舊金山州立大學(xué)的天文學(xué)家杰佛瑞·馬西(Geoffrey Marcy)。他在馬約爾和奎洛茲發(fā)布結(jié)果的6天后,也就是1995年的10月12日,就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)確認(rèn)了這個(gè)行星,并在不久后又相繼發(fā)現(xiàn)了圍繞類太陽恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的第2和第3顆行星。

  馬約爾和Marcy的團(tuán)隊(duì),而在此之后分別由繼續(xù)發(fā)現(xiàn)了百余顆行星,這為之后深入研究系外行星提供了很多的可靠的統(tǒng)計(jì)信息。他們也引領(lǐng)了系外行星探測的“潮流”,所使用的視向速度法也成為當(dāng)時(shí)的主流探測方法之一。現(xiàn)在尋找系外行星最重要的方法是凌星法,之后通常用視向速度法再驗(yàn)證。

  到目前為止,在開普勒衛(wèi)星的幫助之下,科學(xué)家們已經(jīng)確認(rèn)了將近4000顆系外行星,而還有四千多顆等待確認(rèn),讓我們意識(shí)到很多的希望系外行星系統(tǒng)和我們的太陽系差別很大,更多的行星比我們地球要大一些,超級地球就是在那樣的情形之下提出來的。

  馬約爾和馬西還在2005年的時(shí)候共同分享了素有東方諾貝爾之稱的邵逸夫獎(jiǎng)。說到這里,或許大家會(huì)有點(diǎn)疑惑,為什么這次馬西沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)的青睞呢?除了工作成果的重要性,還不得不提到,在幾年前的時(shí)候,馬西因?yàn)轵}擾女學(xué)生而被學(xué)校開除,很自然地,已經(jīng)與諾獎(jiǎng)無緣了。

  說回來今年的諾獎(jiǎng),雖然很多人對天體物理的獲獎(jiǎng)表示意外,但對于系外行星的獲獎(jiǎng),李耐閱微博其實(shí)是很自然的。筆者在2015年接受采訪的時(shí)候,就看好它當(dāng)年會(huì)得獎(jiǎng),不過時(shí)隔4年,這個(gè)領(lǐng)域喜獲諾獎(jiǎng)不算長。

  說到第一顆系外行星,還需要說明的一點(diǎn)是,通常我們會(huì)說人類發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星是1995年找到的飛馬座51b。但其實(shí),如果不看中心天體的類型的話,第一顆系外行星應(yīng)該是在中子星周圍發(fā)現(xiàn)的。

  那是1992年,波蘭天文學(xué)家,美國賓夕法尼亞州立大學(xué)教授亞歷山大·沃爾茲森(Aleksander Wolszczan)和當(dāng)時(shí)正在美國國立射電天文臺(tái)做博士后的戴爾·費(fèi)雷歐(Dale Frail)宣布發(fā)現(xiàn)了圍繞毫秒脈沖星PSR 1257+12旋轉(zhuǎn)的兩顆行星。

圍繞中子星旋轉(zhuǎn)的行星想象圖(圖片來源:https://www.illustration-scientifique.com)

  這一系統(tǒng)到1994年時(shí)被沃爾茲森確認(rèn)。然而,一方面,在中子星周圍發(fā)現(xiàn)的系外行星的數(shù)目非常有限,另一方面,中子星周圍環(huán)境極其特殊和極端,和地球的環(huán)境相差太大,對于我們了解地外生命并沒有太大的幫助。不僅如此,當(dāng)時(shí)探測所使用的方法“脈沖計(jì)時(shí)法”,也存在很大的局限性。

  因此,人們往往會(huì)把“人類發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星”這一桂冠戴到飛馬座51b的頭上。但準(zhǔn)確地說,飛馬座51b是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞類太陽恒星運(yùn)行的系外行星。

這張藝術(shù)概念圖描繪了一顆年輕的恒星被一圈由氣體(主要為氫氣和氦氣)和塵埃構(gòu)成的原行星盤所包圍的情景。在原行星盤中,行星的形成分為兩步:第一步,塵埃顆粒相互撞擊,形成微行星,第二步,最大的微行星通過礫石吸積逐漸增長,形成原行星

  在此后的一段時(shí)間內(nèi),系外行星的發(fā)現(xiàn)速度比較緩慢,帶來這個(gè)領(lǐng)域再一次巨大飛躍的利器大約在10多年之后出現(xiàn)了,這就是被稱為“行星獵手”的開普勒衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星在2009年發(fā)射升空,一直運(yùn)行到2018年的11月份正式退休。很快它就發(fā)現(xiàn)了大批的系外行星。如今,大約有將近4000顆系外行星得到了確認(rèn),而這其中,多一半就是由開普勒衛(wèi)星一個(gè)設(shè)備所發(fā)現(xiàn)的。除過這些確認(rèn)的行星之外,還有四千多顆開普勒行星還等待確認(rèn)。正是開普勒衛(wèi)星給行星探測領(lǐng)域所帶來的巨大變化,這個(gè)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人威廉·伯魯奇(William J。 Borucki)獲得了2015年的邵逸夫獎(jiǎng)。

  就在開普勒衛(wèi)星退役之前,2018年的4月,NASA由發(fā)射了另外一個(gè)系外行星尋找的衛(wèi)星,那就是凌日系外行星巡天衛(wèi)星(TESS)發(fā)射升空。它計(jì)劃運(yùn)行兩年,將對85%的天空展開勘測,比開普勒衛(wèi)星的探測區(qū)域大400倍。TESS衛(wèi)星將著重尋找圍繞太陽系附近恒星運(yùn)行的行星,而這些行星的特征將借由地面觀測手段予以確定。到目前為止,它也尋找到了一批系外行星。

  除過探測系外行星之外,天文學(xué)家也開展了一些更為深入的研究。在2001年,天文學(xué)家觀察到了證明大氣存在的首個(gè)“印記”:589.3納米的鈉共振雙線。而之后,天文學(xué)家又相繼觀察到了以氣體形式存在的二氧化碳和水等分子?茖W(xué)家觀測到的大氣層主要存在于氣態(tài)巨行星之上,就在不久之前,研究人員在體積更小的非氣態(tài)行星上成功探測到了水的存在。

  近年來,隨著天文學(xué)家觀測到了一些位于宜居帶中,表面能夠支持液態(tài)水存在的類地行星,自然有人提出疑問:這些行星上是否有生命存在?雖然目前尚未在系外行星上探測到生命,但未來的系外行星特征探測衛(wèi)星(CHEOPS),詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST),行星凌日和恒星振動(dòng)任務(wù)(PLATO),以及極大望遠(yuǎn)鏡(ELT)等地面任務(wù)都將配備先進(jìn)儀器,在類地行星大氣中尋找生命存在的跡象,如氧氣和甲烷等等。

  總而言之,此次獲獎(jiǎng),皮布爾斯作為一個(gè)理論天文物理學(xué)家,幫助我們更加深入地了解了宇宙的演化歷程,而馬約爾和奎洛茲作為天文學(xué)家,通過觀測的方式幫助我們打開了一個(gè)更廣闊的系外行星的世界,讓我們在太陽系之外看到我們的地球的影子。

  感謝他們,推進(jìn)了人類所能認(rèn)知的疆域,讓我們看到更廣闊的宇宙!

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