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让人类看到更广阔的宇宙

2019-10-17 光明日报
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  编者按

  10月8日,2019年诺贝尔物理学奖揭晓:美国科学家詹姆斯·皮布尔斯,瑞士科学家米歇尔·马约尔、迪迪埃·奎洛兹三人获奖。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”。他们为什么获奖?研究有什么意义?本期邀请金沙网站国家天文台研究员苟利军等专家进行解读。

  在天文学界,皮布尔斯的名字如雷贯耳,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作出了理论贡献。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。今年84岁的皮布尔斯,他的获奖可称得上实至名归。

  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,人们不仅对宇宙的理解发生了深刻的变化,而且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作出了开创性的贡献。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,科学家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,越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新发现的领路人。

  自从天文学家帮助人们认识到宇宙极其广袤之后,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,还有其他的星球适合于生命的存在吗?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》都讲述的是地球面临灾难,寻找新家园的故事。或许在接下来的一两百年,我们的地球会安然无事,然而,上万年或者更久一点时间之后,地球的环境变化就可能不太适合生物的居住。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,我们将不得不离开这个生我们养我们的蓝色星球。所以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20世纪80年代开始发展,在20世纪90年代时,取得了突破。此次获奖的有两位瑞士天文学家,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,他们提出了一种叫作视向速度法的方法,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。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。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4000多颗等待确认,让人类意识到很多的系外行星系统和太阳系差别很大,更多的行星比地球要大一些,超级地球就是在那样的情形之下提出来的。

  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·沃尔兹森和当时正在美国国立射电天文台做博士后的戴尔·费雷欧宣布发现了围绕毫秒脉冲星PSR1257+12旋转的两颗行星。

  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量非常有限,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。

  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11月。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,而其中,多一半就是由开普勒卫星一个设备所发现的。除过去这些确认的行星之外,还有四千多颗开普勒行星等待确认。正是由于开普勒卫星给行星探测领域所带来的巨大变化使这个项目的负责人威廉·伯鲁奇获得了2015年的邵逸夫奖。

  就在开普勒卫星退役之前,2018年的4月,NASA发射了由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%的天空开展勘测,它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的一些位于宜居带中、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。

  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!

  (作者:苟利军,系金沙网站国家天文台研究员、恒星级黑洞研究团组首席科学家)

人类在宇宙中是否真的孤独

  2019年诺贝尔物理学奖公布,今年的奖项颁给了在宇宙学和系外行星领域深耕的三位天文学家。其中,系外行星的研究主要揭示一个重大问题:人类在宇宙中真的孤独吗?

  系外行星就是太阳系以外的行星,跟太阳系类似,系外行星也是围绕着它的恒星运动。1995年10月,马约尔和奎洛兹宣布在类太阳星周围发现了一颗太阳系之外的行星,即系外行星。它是位于我们所处的银河系中飞马座51b。这是一颗气态行星,轨道周期为4.2天。因为质量与木星相当,被称为类木行星。米歇尔和奎洛兹因为这一发现获得2019年的诺贝尔物理学奖,与从事物理宇宙学理论研究的詹姆斯·皮布尔斯平分秋色。

  为什么观测到一颗星就可以得诺奖?早在1992年天文学家就发现了第一颗系外行星,但为什么诺贝尔物理学奖仍然会发给马约尔和奎洛兹呢?

  首先是1992年发现的主星是脉冲星,因其极其特殊的环境使得它周围存在系外生命的可能性基本为零,所以未引起公众的关注。而1995年马约尔和奎洛兹发现的这颗是围绕在类太阳星周围,这满足了人们期望在太阳系外寻找另一个“地球”的想象。

  千百年来人们一直有个疑问:人类在宇宙中是不是孤独存在的?这次发现为系外生命的搜寻迈出了坚定的一步,打开了人类进行系外生命探测的大门,是一个里程碑式的进展。因此,人们往往会把“人类发现的第一颗系外行星”这一殊荣落到飞马座51b的头上,但是准确地说,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。

  之前人们对行星的认识仅局限于太阳系内八大行星,1995年马约尔和奎洛兹的发现为人们打开了一个新领域。

  此后的二十多年,天文学家共发现了4000多颗系外行星,它们有着各种各样的轨道、周期等,差异之大令人难以置信,多种多样系外行星的发现也挑战了人们对于行星系统的传统观念。我们最终的目标是发现一个或者多个可供人类居住的“地球”,为将来人类进行星级移民寻找目标,以及寻找宇宙中是否还有其他生命。

  1995年第一颗在类太阳星周围发现的系外行星开辟了人类系外行星探测的新纪元,欧美等发达国家在这一领域部署了大批研究人员,也投入大量研究经费。但在茫茫宇宙中探索太阳系外行星,进而探索系外生命和系外文明这一重要天文研究领域不能缺少中国人的身影。比如,金沙网站国家天文台赵刚研究员领导的研究小组,在国内率先利用国家天文台2.16米望远镜开展系外行星进行搜寻,并于2008年发现第一颗利用中国自主设备探测的太阳系外行星,开启了中国天文工作者利用自己的观测设备搜寻系外行星的探索和研究。2.16米高分辨率光纤光谱仪预期可以达到好于1m/s的探测精度,可以探测到超级地球乃至类地行星。

  对于系外行星的研究有很多目的,一是为人类寻找下一个居住的家园;二是研究这些系外行星系统其实就是研究太阳系的过去和未来;三是完善行星形成理论。比如,1995年发现的这颗行星离恒星很近,温度很高,在如此高温下行星无法形成。1996年著名天文学家林潮等人提出了行星迁移的解释,认为这颗行星是在距离恒星较远的地方形成,然后迁移到了现在的位置。国外对系外行星的研究已经如火如荼,而我国才刚刚开始。要说的是,目前对系外行星的观测集中在光学波段,得到的是行星轨道和质量等信息,我国的天眼望远镜将对系外行星的射电波段进行观测,有望得到系外行星的内部结构和组成等信息。

  许多孩子对星空好奇。在宇宙面前人类永远是孩子,人类对宇宙的探索永无止境。很多问题都还是未解之谜,希望更多有兴趣的人加入对天文的研究,加入对系外行星的研究,为人类找到答案。

  (作者:刘玉娟,系金沙网站国家天文台星云计划研究员;魏星,系北京师范大学天文系教授)

天体物理研究者获诺奖很意外吗

  2019年诺贝尔物理学奖公布,今年再次开出了“双黄蛋”,普林斯顿大学的詹姆斯·皮布尔斯因在物理宇宙学上的理论发现独享一半奖金,瑞士日内瓦大学教授米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹因发现一颗环绕类太阳恒星的系外行星共享另一半奖金。有人说,从诺贝尔奖的历史来看,天体物理研究者获奖很意外。对此,业内专家怎么看?

  有学者表示,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,但也让天文学研究者很兴奋,他们获奖是实至名归。

  詹姆斯·皮布尔斯,加拿大裔美国物理学家和理论宇宙学家,1935年出生于加拿大曼尼托巴省温尼伯市,在加拿大马尼托巴大学获得物理学学士学位,并于1962年前往普林斯顿大学攻读博士,目前是普林斯顿大学的阿尔伯特·爱因斯坦科学名誉教授。自1970年以来,他就被认为是世界上领先的理论宇宙学家之一,对宇宙大爆炸模型作出了重要贡献。他通过理论工具和计算,解释了从宇宙初期的大爆炸印记,并发现了新的物理过程。他的这些理论发现,使我们能够解读宇宙学的观测。这些观测表明,宇宙中只有5%的内容是已知的,构成了恒星、行星和我们。另外95%是未知的暗物质和暗能量,它们对于现代物理学来说是个谜,也是一个巨大的挑战。

  米歇尔·马约尔,1942年出生于瑞士洛桑市,1971年瑞士日内瓦大学博士毕业,现任日内瓦大学教授;迪迪埃·奎洛兹,1966年出生于瑞士,1995年在瑞士日内瓦大学获得博士学位,目前是日内瓦大学和英国剑桥大学的教授。

  1995年,马约尔和奎洛兹基于恒星会因行星引力变化而产生微小摆动的理论,首次在太阳系外发现一颗行星——“飞马座51b”,点燃了系外行星探索的“星星之火”,随着各类观测技术的突飞猛进,此后银河系又有4000多颗系外行星被发现。

  金沙网站国家天文台研究员周爱英表示,他曾在1997年8月有幸访学两位瑞士天文学家,他们待人很友善。马约尔教授带他在洛桑湖里试水他岳父做的新木船,他与奎洛兹博士在法国用他们1995年发现飞马座51b的1.93米望远镜,一同观测搜索系外行星约10天。他们的软件、光纤摄谱仪技术非常先进。

  主要从事暗物质、暗能量、星系大尺度结构等宇宙学研究的金沙网站国家天文台研究员陈学雷表示,皮布尔斯在宇宙学领域做出了许多开创性的工作,其中可能最重要的是他关于宇宙微波背景辐射和关于结构形成的研究。

  20世纪60年代,皮布尔斯作为迪克小组的研究成员提出了宇宙大爆炸可以产生微波背景辐射的理论预言。不过,在他之前,伽莫夫的学生阿尔弗已经给出过类似的预言。但是,皮布尔斯的研究还是发挥了重要作用,彭齐亚斯和威尔逊正是因为听说了他们的研究,找到了他们天线测量“噪声”的来源,从而发现了宇宙微波背景辐射并获得了诺贝尔奖。

  皮布尔斯此后也继续对宇宙学理论进行了更深入研究,分析了大爆炸核合成、等离子体复合和宇宙微波背景辐射光字退耦过程中的各种物理过程,并计算了宇宙微波背景辐射的各向异性,进而他又研究了宇宙从一个相当均匀的状态如何在万有引力作用下,逐渐放大原初的微小不均匀性,从而形成了高度非均匀的星系结构。宇宙大爆炸理论从一些初步的概念,逐渐发展为一整套系统的理论,皮布尔斯在其中发挥了主要的作用。他对理论的研究不是单纯的数学推导,而是密切结合了对物理过程的分析。他撰写的宇宙学教科书题目就叫《物理宇宙学》,是这一领域的名著。

  (宋雅娟、蔡琳、黄京一采访整理)

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