作者:陈欢欢 任芳言 池涵 刘如楠 来源: 中国科学报 发布时间:2019-10-10
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他们改变了我们对宇宙的认知
——2019年诺贝尔物理学奖解读


 詹姆斯·皮布尔斯

 


 

米歇尔·麦耶

 


 

迪迪埃·奎洛兹

■本报记者 陈欢欢 见习记者 任芳言 池涵 刘如楠

大爆炸之前的宇宙什么样?太阳系之外是否有宜居星球?人类要回答这些问题,并不仅仅依赖想象。

今年的诺贝尔物理学奖就将目光放得很远,授予了3位研究浩瀚宇宙的物理学家。其中,美国普林斯顿大学教授詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)的理论发现有助于我们理解大爆炸之后的宇宙演化,瑞士日内瓦大学的米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)则在宇宙中的邻居那儿找到了未知行星。

诺贝尔奖委员会认为:他们的发现,永远地改变了我们对宇宙的认知。

天文学界的“村上春树”

10月8日,听说皮布尔斯获得了今年的诺贝尔物理学奖时,中国科学技术大学天文系教授蔡一夫高呼:“美国天文学界的‘村上春树’终于得奖了!”

确实,皮布尔斯是众多诺奖预测榜单上的常客。

人们一直想研究宇宙的起源,在接受宇宙膨胀的概念之后,就不得不提到宇宙大爆炸理论,宇宙微波背景辐射是大爆炸最主要的可观测后果。皮布尔斯正是宇宙微波背景辐射最早的提出者之一。

不仅如此,皮布尔斯还做了很多深入的理论研究。例如,给出详细的计算过程,一些计算方法沿用至今,他所著的三本教科书亦是该领域的标准参考书。

“宇宙是如何演化到现在这个样子的?皮布尔斯是系统回答了这个问题的人之一。”中国科学院国家天文台研究员陈学雷告诉《中国科学报》。

这样的一个人,却多次和诺贝尔奖完美错过。

上世纪60年代,皮布尔斯提出通过实验在微波段寻找宇宙微波背景辐射。此时,两位无线电工程师找到他,说有一个意外的发现无法解释。经过皮布尔斯的理论检验,证实正是宇宙微波背景辐射。

1978年,这两位无线电工程师阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊获得了第一个微波背景辐射方面的诺贝尔物理学奖。

到了上世纪70年代,皮布尔斯和两位苏联科学家苏尼亚耶夫和泽尔多维奇共同搭建了宇宙大尺度结构最开始的理论框架,预言了宇宙微波背景辐射可能存在涟漪,并同宇宙大尺度结构原始的种子相关。

1992年,美国宇航局发射的宇宙微波背景辐射卫星COBE证实了宇宙微波背景辐射中存在涟漪的预言。COBE项目领导者约翰·马瑟和乔治·斯穆特因此获得2006年诺贝尔物理学奖。

据蔡一夫介绍,从上世纪90年代开始,皮布尔斯把研究工作完全转移到了现代宇宙学的前沿领域,并促成了这门新兴学科的成立。

“皮布尔斯是一位伟大的前辈。”蔡一夫说,“诺贝尔奖是对他一生贡献的肯定。”

寻找系外行星的起点

移居到太阳系外行星这一幻想曾出现在许多科幻电影和小说中,而在现实中,人类直到20多年前才发现第一颗系外行星。发现者正是今年的两位诺奖得主。

1995年10月,米歇尔·麦耶和他的学生迪迪埃·奎洛兹在《自然》杂志上宣布,他们发现了距离地球50光年的一颗行星。

发现一颗行星为什么就能得到诺贝尔奖?因为他们发现的绝非一颗普通行星。

中国科学院国家天文台副研究员刘玉娟告诉《中国科学报》,在演化早期和晚期,恒星都不稳定,周围很难存在高级生命,只有类太阳恒星周围的行星才有可能。

因此,1992年天文学家发现两颗绕脉冲星运转的行星时,并没有引起很大关注。脉冲星密度大、环境恶劣,基本不可能有生命存在。

麦耶和奎洛兹则实实在在地推开了寻找系外生命的大门。他们的发现是类太阳系外行星的首个证据,满足了人们在太阳系外找到行星的想象,揭开了系外行星研究的序幕。从1995年至今,人类已经发现了4000多颗系外行星。

“这是人类认识系外天体的一个里程碑。”刘玉娟说。

在麦耶和奎洛兹之前,为什么没人发现类太阳系外行星?南京大学天文与空间科学学院副教授谢基伟认为有两个原因。

第一是技术原因。径向速度的恒星摆动只有几十米每秒,与高速路上的汽车大致相当,而把这个速度放到宇宙中、放在一颗恒星上则是非常慢的,所以探测起来很困难。

第二是科研思路的原因。谢基伟指出,在麦耶和奎洛兹之前,也有其他团队达到这种技术和观测精度,但是按照太阳系模型去做的,预设了以年为长周期的观测,而这颗星的一年只相当于地球上的4天。

“他们这一发现的不可思议之处在于,完全改变了人们的宇宙观,改变了人们对行星的认识。居然可以有这么一颗行星,它的周期这么短,离它的恒星那么近,只有地球和太阳之间距离的1/20。”谢基伟说。

宇宙面前的孩子

1995年之后,系外行星的探测越来越热门。刘玉娟表示,主要有两大方向。

一是在可居住带内发现类地行星,目前已经发现了几十颗;二是发现大量的行星系统,进而统计性质,发现与太阳系的异同。例如,开普勒望远镜发现了2000多颗系外行星,占整个发现总量的一半多,前几年热门的“地球表兄弟”“葫芦娃兄弟”都是它发现的。

“系外行星的研究有很多目的,一是寻找下一个居住的家园;二是研究太阳系的过去和未来;三是完善行星形成理论。”北京师范大学天文系教授魏星说,“在宇宙面前我们永远是孩子,人类对宇宙的探索永无止境。”

谢基伟亦认为,系外行星这个领域如果从1995年算起,其实还很年轻。在这20多年里,人类搜寻过系外行星的区域和整个银河系相比还非常小,未来还有很广阔的空间。

同欧美的探测热相比,我国的相关研究才刚起步。

刘玉娟表示,主要原因是设备欠缺,申请国外望远镜又比较困难。但她指出,我国的主流方法和先进性都跟国际保持一致。如中科院国家天文台赵刚团队采用同诺奖得主一样的视向速度法,在2008年利用中国设备发现国内第一颗系外行星;南京大学周济林团队在南极放了小望远镜,利用和开普勒望远镜一样的凌星方法探测系外行星。

魏星则指出,我国的研究不乏特点。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。我国的天眼望远镜则是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。

在宇宙学研究方面,蔡一夫指出,中国起步较晚,错过了过去半个多世纪里的许多伟大发现,但是现在已经在引力波方面进行了全面布局,其中就包括对于宇宙原初引力波的寻找。“期待在不久的将来,中国的天文学研究能够迎头赶上。”

《中国科学报》 (2019-10-10 第1版 要闻)
 
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