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解读2019诺贝尔物理学奖:因为他们,人类重新认识宇宙

2019-10-9 14:03:09来源:作者:苟利军责编:阿迷评论:

2019年10月8日,2019年诺贝尔物理学奖揭晓:加拿大裔美国科学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)、瑞士科学家米歇尔·马约尔(Michel Mayor)、瑞士科学家迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)三人获奖。其中一半奖金授予美国普林斯顿大学的詹姆斯·皮布尔斯,获奖理由是“对于物理宇宙学方面的理论发现”;另一半奖金授予瑞士日内瓦大学的米歇尔·马约尔和瑞士日内瓦大学/英国剑桥大学的迪迪埃·奎洛兹,获奖理由是“发现了围绕其他类太阳恒星运行的系外行星”。

在我刚刚从雁栖湖教完课,还在回程路上,就被这三位天文学家获得2019年诺贝尔物理学奖的消息包围。

就是他们了!2019诺贝尔物理学奖得主

本来分别有可能获奖的领域,现在同时获奖,的确有些让人意外,不过也是意外而自然。

在天文学界,皮布尔斯的名字是如雷贯耳,可以说是宇宙学领域内的先驱性人物,自从1970年以来,他被广泛认为是世界领先的理论宇宙学家,在这期间,他主要对原始核合成、暗物质、宇宙微波背景和结构形成等领域做出了理论贡献。也正是他的很多贡献,才使宇宙学进入了真正的精确宇宙学时代。之前我曾经在很多场合听到过众人谈论皮布尔斯有望得奖的可能。俗话说,只要活得久就有可能,今年84岁的皮布尔斯终于等到了,他的获奖可称得上实至名归。

老爷子还为我们带来了鸡汤——“奖项虽然也很重要,但要因为热爱搞科研才行啊!”

▲左侧是宇宙未知的起源点,逐渐向右侧扩展,形成一个不断变暗的宇宙。右侧的曲线指示背景辐射

揭示宇宙历史

现代宇宙学揭示了宇宙的历史,以及宇宙中令人意想不到的物质和能量组成部分。与此同时,人们发现太阳远不是银河系中唯一具有行星的恒星。新的发现显示,行星系统具有广泛的多样性。在过去的几十年里,我们不仅对宇宙的理解发生了深刻的变化,而且我们也对地球在宇宙中所处的地位看法也发生了巨大的改变。今年的诺贝尔物理学奖关注的正是这些突破性的发现。

如此令人兴奋的发展之所以成为可能,要感谢过去半个世纪以来,物理学家们在宇宙学理论框架中的突破性发现。今年的诺贝尔奖得主皮布尔斯在这个领域做出了开创性的贡献。他通过详细的建模,并利用分析和数值方法,对宇宙的基本属性进行了探索,发现了意想不到的新物理学。现在,我们有了一个统一的模型,能够描述宇宙从最初的几分之一秒到现在以及遥远未来的状态变化,对我们的宇宙做出一个精确的描述。

曾几何时,宇宙学是一门充斥着没有坚实依据的猜想,数据也少得可怜。但今天,宇宙学已经成长为一门精确的数学科学,愈发精确的观测数据正发挥关键性作用。发现的时代并未终结。随着测量精度越来越高,我们将有可能发现全新的,此前未能预料到的现象。物理宇宙学将为我们带来更多惊喜,而皮布尔斯正是那个将我们引向发现的领路人。

而对于马约尔和奎洛兹,我平常对于这个系外行星领域比较关注,所以也是多了一些了解。

▲右侧是马约尔,左侧是他的学生奎洛兹

自从天文学家帮助我们认识到宇宙及其广袤之后,一个很自然的问题就出现了。

宇宙其他地方还有生命存在吗?

宇宙这么大,除了地球,还有其他地方有生命存在吗?或者说,有没有其它的星球适合于生命的存在?2014年年底的《星际穿越》电影和2019年年初上映的科幻大片《流浪地球》都是讲述了地球面临灾难,寻找新的家园的事情。或许在接下来的一两百年,我们的地球会安然无事,然而,上万年或者更久的一点的时间之后,地球的环境变化就可能不太适合生命的居住。过世的物理学家霍金就曾预测,如果人类不保护环境,节省能源,那么用不了上万年,只需几百年的时间,我们就需要离开这个生我们养我们的蓝色星球。所以寻找寻找适宜的系外行星就是天文学家的一个目标,也是在帮助未来的人类做着未雨绸缪的事情。

寻找地外行星的工作从上世纪80年代开始发展,终于在90年代的时候,取得了突破。此次获奖的两位都是瑞士的天文学家,还是一对师生。他们为寻找太阳系之外的行星做出了开创性的工作,在1995年的时候,他们提出了一种叫做视向速度法的方法,在飞马座51恒星周围发现了一颗轨道周期为4.2天的行星,这就是我们现在熟知的飞马座51b(命名方式是结合了发现时间和距离远近两种方式,先时间后距离,同时发现按照从内自外,字母顺序从b开始)。

51 Pegasi拥有一颗质量与木星相当的行星。1995年的这一发现标志着一片全新的天体物理学领域就此开启,即对系外行星与行星形成过程的研究。

这次探测,真正开启了人类探测系外行星的时代。

这里值得一提的还有一位科学家,他就是美国旧金山州立大学的天文学家杰佛瑞·马西(Geoffrey Marcy)。他在马约尔和奎洛兹发布结果的6天后,也就是1995年的10月12日,就带领团队确认了这个行星,并在不久后又相继发现了围绕类太阳恒星转动的第2和第3颗行星。

马约尔和Marcy的团队,而在此之后分别由继续发现了百余颗行星,这为之后深入研究系外行星提供了很多的可靠的统计信息。他们也引领了系外行星探测的“潮流”,所使用的视向速度法也成为当时的主流探测方法之一。现在寻找系外行星最重要的方法是凌星法,之后通常用视向速度法再验证。

到目前为止,在开普勒卫星的帮助之下,科学家们已经确认了将近4000颗系外行星,而还有四千多颗等待确认,让我们意识到很多的希望系外行星系统和我们的太阳系差别很大,更多的行星比我们地球要大一些,超级地球就是在那样的情形之下提出来的。

马约尔和马西还在2005年的时候共同分享了素有东方诺贝尔之称的邵逸夫奖。说到这里,或许大家会有点疑惑,为什么这次马西没有获得诺贝尔奖的青睐呢?除了工作成果的重要性,还不得不提到,在几年前的时候,马西因为骚扰女学生而被学校开除,很自然地,已经与诺奖无缘了。

说回来今年的诺奖,虽然很多人对天体物理的获奖表示意外,但对于系外行星的获奖,其实是很自然的。笔者在2015年接受采访的时候,就看好它当年会得奖,不过时隔4年,这个领域喜获诺奖不算长。

说到第一颗系外行星,还需要说明的一点是,通常我们会说人类发现的第一颗系外行星是1995年找到的飞马座51b。但其实,如果不看中心天体的类型的话,第一颗系外行星应该是在中子星周围发现的。

那是1992年,波兰天文学家、美国宾夕法尼亚州立大学教授亚历山大·沃尔兹森(Aleksander Wolszczan)和当时正在美国国立射电天文台做博士后的戴尔·费雷欧(Dale Frail)宣布发现了围绕毫秒脉冲星PSR 1257+12旋转的两颗行星。

▲围绕中子星旋转的行星想象图(图片来源:https://www.illustration-scientifique.com)

这一系统到1994年时被沃尔兹森确认。然而,一方面,在中子星周围发现的系外行星的数目非常有限,另一方面,中子星周围环境极其特殊和极端,和地球的环境相差太大,对于我们了解地外生命并没有太大的帮助。不仅如此,当时探测所使用的方法“脉冲计时法”,也存在很大的局限性。

因此,人们往往会把“人类发现的第一颗系外行星”这一桂冠戴到飞马座51b的头上。但准确地说,飞马座51b是人类发现的第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星。

这张艺术概念图描绘了一颗年轻的恒星被一圈由气体(主要为氢气和氦气)和尘埃构成的原行星盘所包围的情景。在原行星盘中,行星的形成分为两步:第一步,尘埃颗粒相互撞击、形成微行星;第二步,最大的微行星通过砾石吸积逐渐增长,形成原行星。

在此后的一段时间内,系外行星的发现速度比较缓慢,带来这个领域再一次巨大飞跃的利器大约在10多年之后出现了,这就是被称为“行星猎手”的开普勒卫星。这颗卫星在2009年发射升空,一直运行到2018年的11月份正式退休。很快它就发现了大批的系外行星。如今,大约有将近4000颗系外行星得到了确认,而这其中,多一半就是由开普勒卫星一个设备所发现的。除过这些确认的行星之外,还有四千多颗开普勒行星还等待确认。正是开普勒卫星给行星探测领域所带来的巨大变化,这个项目的负责人威廉·伯鲁奇(William J。Borucki)获得了2015年的邵逸夫奖。

就在开普勒卫星退役之前,2018年的4月,NASA由发射了另外一个系外行星寻找的卫星,那就是凌日系外行星巡天卫星(TESS)发射升空。它计划运行两年,将对85%的天空展开勘测,比开普勒卫星的探测区域大400倍。TESS卫星将着重寻找围绕太阳系附近恒星运行的行星,而这些行星的特征将借由地面观测手段予以确定。到目前为止,它也寻找到了一批系外行星。

除过探测系外行星之外,天文学家也开展了一些更为深入的研究。在2001年,天文学家观察到了证明大气存在的首个“印记”:589.3纳米的钠共振双线。而之后,天文学家又相继观察到了以气体形式存在的二氧化碳和水等分子。科学家观测到的大气层主要存在于气态巨行星之上,就在不久之前,研究人员在体积更小的非气态行星上成功探测到了水的存在。

近年来,随着天文学家观测到了一些位于宜居带中、表面能够支持液态水存在的类地行星,自然有人提出疑问:这些行星上是否有生命存在?虽然目前尚未在系外行星上探测到生命,但未来的系外行星特征探测卫星(CHEOPS)、詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)、行星凌日和恒星振动任务(PLATO)、以及极大望远镜(ELT)等地面任务都将配备先进仪器,在类地行星大气中寻找生命存在的迹象,如氧气和甲烷等等。

总而言之,此次获奖,皮布尔斯作为一个理论天文物理学家,帮助我们更加深入地了解了宇宙的演化历程,而马约尔和奎洛兹作为天文学家,通过观测的方式帮助我们打开了一个更广阔的系外行星的世界,让我们在太阳系之外看到我们的地球的影子。

感谢他们,推进了人类所能认知的疆域,让我们看到更广阔的宇宙!

IT之家注:本文来自新浪科技《科学大家》栏目,作者苟利军,是中国科学院国家天文台研究员,恒星级黑洞研究团组首席科学家,中国科学院大学天文学教授,《中国国家天文》杂志执行总编

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