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�洛茲（Didier 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�洛茲，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�得�?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>

　　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。

　　自從天文學(xué)家?guī)椭�我們認(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�陽系之外的行星做出了開創(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。

　　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。

　　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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