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讓人類看到更廣闊的宇宙

2019-10-17 光明日報
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  編者按

  10月8日,2019年諾貝爾物理學獎揭曉:美國科學家詹姆斯·皮布爾斯,瑞士科學家米歇爾·馬約爾、迪迪埃·奎洛茲三人獲獎。其中一半獎金授予美國普林斯頓大學的詹姆斯·皮布爾斯,獲獎理由是“對于物理宇宙學方面的理論發現”;另一半獎金授予瑞士日內瓦大學的米歇爾·馬約爾和瑞士日內瓦大學/英國劍橋大學的迪迪埃·奎洛茲,獲獎理由是“發現了圍繞其他類太陽恒星運行的系外行星”。他們為什么獲獎?研究有什么意義?本期邀請中國科學院國家天文臺研究員茍利軍等專家進行解讀。

  在天文學界,皮布爾斯的名字如雷貫耳,可以說是宇宙學領域內的先驅性人物。自從1970年以來,他被廣泛認為是世界領先的理論宇宙學家,在這期間,他主要對原始核合成、暗物質、宇宙微波背景和結構形成等領域作出了理論貢獻。也正是他的很多貢獻,才使宇宙學進入了真正的精確宇宙學時代。今年84歲的皮布爾斯,他的獲獎可稱得上實至名歸。

  現代宇宙學揭示了宇宙的歷史,以及宇宙中令人意想不到的物質和能量組成部分。與此同時,人們發現太陽遠不是銀河系中唯一具有行星的恒星。新的發現顯示,行星系統具有廣泛的多樣性。在過去的幾十年里,人們不僅對宇宙的理解發生了深刻的變化,而且也對地球在宇宙中所處的地位看法也發生了巨大的改變。今年的諾貝爾物理學獎關注的正是這些突破性的發現。

  如此令人興奮的發展之所以成為可能,要感謝過去半個世紀以來,物理學家們在宇宙學理論框架中的突破性發現。今年的諾貝爾獎得主皮布爾斯在這個領域作出了開創性的貢獻。他通過詳細的建模,并利用分析和數值方法,對宇宙的基本屬性進行了探索,發現了意想不到的新物理學。現在,科學家有了一個統一的模型,能夠描述宇宙從最初的幾分之一秒到現在以及遙遠未來的狀態變化,對宇宙做出一個精確的描述。

  曾幾何時,宇宙學是一門充斥著沒有堅實依據的猜想,數據也少得可憐。但今天,宇宙學已經成長為一門精確的數學科學,越發精確的觀測數據正發揮關鍵性作用。發現的時代并未終結。隨著測量精度越來越高,我們將有可能發現全新的,此前未能預料到的現象。物理宇宙學將為我們帶來更多驚喜,而皮布爾斯正是那個將我們引向新發現的領路人。

  自從天文學家幫助人們認識到宇宙極其廣袤之后,一個很自然的問題就出現了:宇宙其他地方還有生命存在嗎?

  宇宙這么大,除了地球,還有其他的星球適合于生命的存在嗎?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》都講述的是地球面臨災難,尋找新家園的故事。或許在接下來的一兩百年,我們的地球會安然無事,然而,上萬年或者更久一點時間之后,地球的環境變化就可能不太適合生物的居住。過世的物理學家霍金就曾預測,如果人類不保護環境,節省能源,我們將不得不離開這個生我們養我們的藍色星球。所以尋找適宜的系外行星就是天文學家的一個目標,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20世紀80年代開始發展,在20世紀90年代時,取得了突破。此次獲獎的有兩位瑞士天文學家,還是一對師生。他們為尋找太陽系之外的行星做出了開創性的工作,在1995年的時候,他們提出了一種叫作視向速度法的方法,在飛馬座51恒星周圍發現了一顆軌道周期為4.2天的行星,這就是我們現在熟知的飛馬座51b命名方式,是結合了發現時間和距離遠近兩種方式,先時間后距離,同時發現按照從內自外,字母順序從b開始。1995年的這一發現標志著一片全新的天體物理學領域就此開啟,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代。到目前為止,在開普勒衛星的幫助之下,科學家們已經確認了將近4000顆系外行星,而還有4000多顆等待確認,讓人類意識到很多的系外行星系統和太陽系差別很大,更多的行星比地球要大一些,超級地球就是在那樣的情形之下提出來的。

  說到第一顆系外行星,還需要說明的一點是,通常我們會說人類發現的第一顆系外行星是1995年找到的飛馬座51b。但其實,如果不看中心天體的類型的話,第一顆系外行星應該是在中子星周圍發現的。

  那是1992年,波蘭天文學家、美國賓夕法尼亞州立大學教授亞歷山大·沃爾茲森和當時正在美國國立射電天文臺做博士后的戴爾·費雷歐宣布發現了圍繞毫秒脈沖星PSR1257+12旋轉的兩顆行星。

  這一系統到1994年時被沃爾茲森確認。然而,一方面,在中子星周圍發現的系外行星的數量非常有限,另一方面,中子星周圍環境極其特殊和極端,和地球的環境相差太大,對于我們了解地外生命并沒有太大的幫助。不僅如此,當時探測所使用的方法“脈沖計時法”,也存在很大的局限性。

  因此,人們往往會把“人類發現的第一顆系外行星”這一桂冠戴到飛馬座51b的頭上。但準確地說,飛馬座51b是人類發現的第一顆圍繞類太陽恒星運行的系外行星。

  在此后的一段時間內,系外行星的發現速度比較緩慢,帶來這個領域再一次巨大飛躍的利器大約在10多年之后出現了,這就是被稱為“行星獵手”的開普勒衛星。這顆衛星在2009年發射升空,一直運行到2018年11月。很快它就發現了大批的系外行星。如今,大約有將近4000顆系外行星得到了確認,而其中,多一半就是由開普勒衛星一個設備所發現的。除過去這些確認的行星之外,還有四千多顆開普勒行星等待確認。正是由于開普勒衛星給行星探測領域所帶來的巨大變化使這個項目的負責人威廉·伯魯奇獲得了2015年的邵逸夫獎。

  就在開普勒衛星退役之前,2018年的4月,NASA發射了由另外一個系外行星尋找的衛星,那就是凌日系外行星巡天衛星(TESS)發射升空。它計劃運行兩年,將對85%的天空開展勘測,它比開普勒衛星的探測區域大400倍。TESS衛星將著重尋找圍繞太陽系附近恒星運行的行星,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。

  除探測系外行星之外,天文學家也開展了一些更為深入的研究。在2001年,天文學家觀察到了證明大氣存在的首個“印記”:589.3納米的鈉共振雙線。而之后,天文學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。科學家觀測到的大氣層主要存在于氣態巨行星之上,就在不久之前,研究人員在體積更小的非氣態行星上成功探測到了水的存在。

  近年來,隨著天文學家觀測到的一些位于宜居帶中、表面能夠支持液態水存在的類地行星,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星(CHEOPS)、詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)、行星凌日和恒星振動任務(PLATO)以及極大望遠鏡(ELT)等地面任務都將配備先進儀器,在類地行星大氣中尋找生命存在的跡象,如氧氣和甲烷等。

  總而言之,此次獲獎,皮布爾斯作為一個理論天文物理學家,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家,通過觀測的方式幫助我們打開了一個更廣闊的系外行星的世界,讓我們在太陽系之外看到我們地球的影子。感謝他們,推進了人類所能認知的疆域,讓我們看到更廣闊的宇宙!

  (作者:茍利軍,系中國科學院國家天文臺研究員、恒星級黑洞研究團組首席科學家)

人類在宇宙中是否真的孤獨

  2019年諾貝爾物理學獎公布,今年的獎項頒給了在宇宙學和系外行星領域深耕的三位天文學家。其中,系外行星的研究主要揭示一個重大問題:人類在宇宙中真的孤獨嗎?

  系外行星就是太陽系以外的行星,跟太陽系類似,系外行星也是圍繞著它的恒星運動。1995年10月,馬約爾和奎洛茲宣布在類太陽星周圍發現了一顆太陽系之外的行星,即系外行星。它是位于我們所處的銀河系中飛馬座51b。這是一顆氣態行星,軌道周期為4.2天。因為質量與木星相當,被稱為類木行星。米歇爾和奎洛茲因為這一發現獲得2019年的諾貝爾物理學獎,與從事物理宇宙學理論研究的詹姆斯·皮布爾斯平分秋色。

  為什么觀測到一顆星就可以得諾獎?早在1992年天文學家就發現了第一顆系外行星,但為什么諾貝爾物理學獎仍然會發給馬約爾和奎洛茲呢?

  首先是1992年發現的主星是脈沖星,因其極其特殊的環境使得它周圍存在系外生命的可能性基本為零,所以未引起公眾的關注。而1995年馬約爾和奎洛茲發現的這顆是圍繞在類太陽星周圍,這滿足了人們期望在太陽系外尋找另一個“地球”的想象。

  千百年來人們一直有個疑問:人類在宇宙中是不是孤獨存在的?這次發現為系外生命的搜尋邁出了堅定的一步,打開了人類進行系外生命探測的大門,是一個里程碑式的進展。因此,人們往往會把“人類發現的第一顆系外行星”這一殊榮落到飛馬座51b的頭上,但是準確地說,飛馬座51b是人類發現的第一顆圍繞類太陽恒星運行的系外行星。

  之前人們對行星的認識僅局限于太陽系內八大行星,1995年馬約爾和奎洛茲的發現為人們打開了一個新領域。

  此后的二十多年,天文學家共發現了4000多顆系外行星,它們有著各種各樣的軌道、周期等,差異之大令人難以置信,多種多樣系外行星的發現也挑戰了人們對于行星系統的傳統觀念。我們最終的目標是發現一個或者多個可供人類居住的“地球”,為將來人類進行星級移民尋找目標,以及尋找宇宙中是否還有其他生命。

  1995年第一顆在類太陽星周圍發現的系外行星開辟了人類系外行星探測的新紀元,歐美等發達國家在這一領域部署了大批研究人員,也投入大量研究經費。但在茫茫宇宙中探索太陽系外行星,進而探索系外生命和系外文明這一重要天文研究領域不能缺少中國人的身影。比如,中國科學院國家天文臺趙剛研究員領導的研究小組,在國內率先利用國家天文臺2.16米望遠鏡開展系外行星進行搜尋,并于2008年發現第一顆利用中國自主設備探測的太陽系外行星,開啟了中國天文工作者利用自己的觀測設備搜尋系外行星的探索和研究。2.16米高分辨率光纖光譜儀預期可以達到好于1m/s的探測精度,可以探測到超級地球乃至類地行星。

  對于系外行星的研究有很多目的,一是為人類尋找下一個居住的家園;二是研究這些系外行星系統其實就是研究太陽系的過去和未來;三是完善行星形成理論。比如,1995年發現的這顆行星離恒星很近,溫度很高,在如此高溫下行星無法形成。1996年著名天文學家林潮等人提出了行星遷移的解釋,認為這顆行星是在距離恒星較遠的地方形成,然后遷移到了現在的位置。國外對系外行星的研究已經如火如荼,而我國才剛剛開始。要說的是,目前對系外行星的觀測集中在光學波段,得到的是行星軌道和質量等信息,我國的天眼望遠鏡將對系外行星的射電波段進行觀測,有望得到系外行星的內部結構和組成等信息。

  許多孩子對星空好奇。在宇宙面前人類永遠是孩子,人類對宇宙的探索永無止境。很多問題都還是未解之謎,希望更多有興趣的人加入對天文的研究,加入對系外行星的研究,為人類找到答案。

  (作者:劉玉娟,系中國科學院國家天文臺星云計劃研究員;魏星,系北京師范大學天文系教授)

天體物理研究者獲諾獎很意外嗎

  2019年諾貝爾物理學獎公布,今年再次開出了“雙黃蛋”,普林斯頓大學的詹姆斯·皮布爾斯因在物理宇宙學上的理論發現獨享一半獎金,瑞士日內瓦大學教授米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲因發現一顆環繞類太陽恒星的系外行星共享另一半獎金。有人說,從諾貝爾獎的歷史來看,天體物理研究者獲獎很意外。對此,業內專家怎么看?

  有學者表示,本來分別有可能獲獎的領域,現在同時獲獎,的確有些讓人意外,但也讓天文學研究者很興奮,他們獲獎是實至名歸。

  詹姆斯·皮布爾斯,加拿大裔美國物理學家和理論宇宙學家,1935年出生于加拿大曼尼托巴省溫尼伯市,在加拿大馬尼托巴大學獲得物理學學士學位,并于1962年前往普林斯頓大學攻讀博士,目前是普林斯頓大學的阿爾伯特·愛因斯坦科學名譽教授。自1970年以來,他就被認為是世界上領先的理論宇宙學家之一,對宇宙大爆炸模型作出了重要貢獻。他通過理論工具和計算,解釋了從宇宙初期的大爆炸印記,并發現了新的物理過程。他的這些理論發現,使我們能夠解讀宇宙學的觀測。這些觀測表明,宇宙中只有5%的內容是已知的,構成了恒星、行星和我們。另外95%是未知的暗物質和暗能量,它們對于現代物理學來說是個謎,也是一個巨大的挑戰。

  米歇爾·馬約爾,1942年出生于瑞士洛桑市,1971年瑞士日內瓦大學博士畢業,現任日內瓦大學教授;迪迪埃·奎洛茲,1966年出生于瑞士,1995年在瑞士日內瓦大學獲得博士學位,目前是日內瓦大學和英國劍橋大學的教授。

  1995年,馬約爾和奎洛茲基于恒星會因行星引力變化而產生微小擺動的理論,首次在太陽系外發現一顆行星——“飛馬座51b”,點燃了系外行星探索的“星星之火”,隨著各類觀測技術的突飛猛進,此后銀河系又有4000多顆系外行星被發現。

  中國科學院國家天文臺研究員周愛英表示,他曾在1997年8月有幸訪學兩位瑞士天文學家,他們待人很友善。馬約爾教授帶他在洛桑湖里試水他岳父做的新木船,他與奎洛茲博士在法國用他們1995年發現飛馬座51b的1.93米望遠鏡,一同觀測搜索系外行星約10天。他們的軟件、光纖攝譜儀技術非常先進。

  主要從事暗物質、暗能量、星系大尺度結構等宇宙學研究的中國科學院國家天文臺研究員陳學雷表示,皮布爾斯在宇宙學領域做出了許多開創性的工作,其中可能最重要的是他關于宇宙微波背景輻射和關于結構形成的研究。

  20世紀60年代,皮布爾斯作為迪克小組的研究成員提出了宇宙大爆炸可以產生微波背景輻射的理論預言。不過,在他之前,伽莫夫的學生阿爾弗已經給出過類似的預言。但是,皮布爾斯的研究還是發揮了重要作用,彭齊亞斯和威爾遜正是因為聽說了他們的研究,找到了他們天線測量“噪聲”的來源,從而發現了宇宙微波背景輻射并獲得了諾貝爾獎。

  皮布爾斯此后也繼續對宇宙學理論進行了更深入研究,分析了大爆炸核合成、等離子體復合和宇宙微波背景輻射光字退耦過程中的各種物理過程,并計算了宇宙微波背景輻射的各向異性,進而他又研究了宇宙從一個相當均勻的狀態如何在萬有引力作用下,逐漸放大原初的微小不均勻性,從而形成了高度非均勻的星系結構。宇宙大爆炸理論從一些初步的概念,逐漸發展為一整套系統的理論,皮布爾斯在其中發揮了主要的作用。他對理論的研究不是單純的數學推導,而是密切結合了對物理過程的分析。他撰寫的宇宙學教科書題目就叫《物理宇宙學》,是這一領域的名著。

  (宋雅娟、蔡琳、黃京一采訪整理)

打印 責任編輯:侯茜
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