內容字號:默認大號超大號

段落設置:取消段首縮進段首縮進

字體設置:切換到微軟雅黑切換到宋體

業界資訊軟件之家
Win10之家WP之家
iPhone之家iPad之家
安卓之家數碼之家
評測中心智能設備
精準搜索請嘗試:精確搜索

解讀2019諾貝爾物理學獎:因為他們,人類重新認識宇宙

2019-10-9 14:03:09來源:新浪科技作者:茍利軍責編:阿迷評論:

2019年10月8日,2019年諾貝爾物理學獎揭曉:加拿大裔美國科學家詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles)、瑞士科學家米歇爾·馬約爾(Michel Mayor)、瑞士科學家迪迪埃·奎洛茲(Didier Queloz)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”。

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

就是他們了!2019諾貝爾物理學獎得主

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,不過也是意外而自然。

在天文學界,皮布爾斯的名字是如雷貫耳,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做出了理論貢獻。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。之前我曾經在很多場合聽到過眾人談論皮布爾斯有望得獎的可能。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,他的獲獎可稱得上實至名歸。

老爺子還為我們帶來了雞湯——“獎項雖然也很重要,但要因為熱愛搞科研才行啊!”

▲左側是宇宙未知的起源點,逐漸向右側擴展,形成一個不斷變暗的宇宙。右側的曲線指示背景輻射

揭示宇宙歷史

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,我們不僅對宇宙的理解發生了深刻的變化,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做出了開創性的貢獻。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,我們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,對我們的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,愈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發現的領路人。

而對于馬約爾和奎洛茲,我平常對于這個系外行星領域比較關注,所以也是多了一些了解。

▲右側是馬約爾,左側是他的學生奎洛茲

自從天文學家幫助我們認識到宇宙及其廣袤之后,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難,尋找新的家園的事情。或許在接下來的一兩百年,我們的地球會安然無事,然而,上萬年或者更久的一點的時間之后,地球的環境變化就可能不太適合生命的居住。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,那么用不了上萬年,只需幾百年的時間,我們就需要離開這個生我們養我們的藍色星球。所以尋找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上世紀80年代開始發展,終于在90年代的時候,取得了突破。此次獲獎的兩位都是瑞士的天文學家,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,他們提出了一種叫做視向速度法的方法,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)。

51 Pegasi擁有一顆質量與木星相當的行星。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。

這里值得一提的還有一位科學家,他就是美國舊金山州立大學的天文學家杰佛瑞·馬西(Geoffrey Marcy)。他在馬約爾和奎洛茲發布結果的6天后,也就是1995年的10月12日,就帶領團隊確認了這個行星,并在不久后又相繼發現了圍繞類太陽恒星轉動的第2和第3顆行星。

馬約爾和Marcy的團隊,而在此之后分別由繼續發現了百余顆行星,這為之后深入研究系外行星提供了很多的可靠的統計信息。他們也引領了系外行星探測的“潮流”,所使用的視向速度法也成為當時的主流探測方法之一。現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證。

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,而還有四千多顆等待確認,讓我們意識到很多的希望系外行星系統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年的時候共同分享了素有東方諾貝爾之稱的邵逸夫獎。說到這里,或許大家會有點疑惑,為什么這次馬西沒有獲得諾貝爾獎的青睞呢?除了工作成果的重要性,還不得不提到,在幾年前的時候,馬西因為騷擾女學生而被學校開除,很自然地,已經與諾獎無緣了。

說回來今年的諾獎,雖然很多人對天體物理的獲獎表示意外,但對于系外行星的獲獎,其實是很自然的。筆者在2015年接受采訪的時候,就看好它當年會得獎,不過時隔4年,這個領域喜獲諾獎不算長。

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(Aleksander Wolszczan)和當時正在美國國立射電天文臺做博士后的戴爾·費雷歐(Dale Frail)宣布發現了圍繞毫秒脈沖星PSR 1257+12旋轉的兩顆行星。

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

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目非常有限,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。

這張藝術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年的11月份正式退休。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,而這其中,多一半就是由開普勒衛星一個設備所發現的。除過這些確認的行星之外,還有四千多顆開普勒行星還等待確認。正是開普勒衛星給行星探測領域所帶來的巨大變化,這個項目的負責人威廉·伯魯奇(William J。Borucki)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由發射了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%的天空展開勘測,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。

除過探測系外行星之外,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了一些位于宜居帶中、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的地球的影子。

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!

IT之家注:本文來自新浪科技《科學大家》欄目,作者茍利軍,是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,中國科學院大學天文學教授,《中國國家天文》雜志執行總編

相關文章

IT之家,軟媒旗下科技門戶網站 - 愛科技,愛這里。

Copyright (C)RuanMei.com, All Rights Reserved.

軟媒公司版權所有

4449999开奖结果