詹姆斯·皮布爾斯

迪迪埃·奎洛茲

米歇爾·馬約爾

2019年10月8日，瑞典皇家科學(xué)院宣布了2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的歸屬。本次諾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了兩個(gè)領(lǐng)域，其中來自瑞士的米歇爾·馬約爾教授和迪迪埃·奎洛茲教授，因?yàn)?ldquo;發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞類太陽恒星運(yùn)行的系外行星”，而分享了本屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半獎(jiǎng)金。

系外行星是目前十分熱門的一個(gè)研究領(lǐng)域，特別是這個(gè)研究與發(fā)現(xiàn)外星生命有關(guān)，更吸引了很多人的興趣。

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早期猜測：系外行星存在嗎?

人類從仰望星空的那一刻起，就開始了“我們在宇宙中是否唯一”的追問。許多歷史上的偉人也不斷思索著“太陽系之外到底是否有其他行星乃至生命存在”?

早在16世紀(jì)，布魯諾在《論無限的宇宙和世界》中就提出了對于系外行星的預(yù)言。他認(rèn)為天空中的恒星，應(yīng)該都像我們的太陽一樣，它們的周圍也會(huì)環(huán)繞著行星，而這些行星也可以孕育自己的生命。他的這一思想拓展了那時(shí)剛被哥白尼提出不久的“日心說”。然而，“地心說”的思想在當(dāng)時(shí)人們心中根深蒂固，布魯諾的思想被認(rèn)為是異端邪說。

18世紀(jì)時(shí)，牛頓在他的曠世名作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中提到了同樣的可能性。通過與太陽周圍行星類比，牛頓腦海中浮現(xiàn)出的，是其他恒星周圍類似太陽系一樣行星環(huán)繞的壯觀場景。系外行星的猜想也被越來越多的人所接受。

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首次發(fā)現(xiàn)：脈沖星周圍的異類

19世紀(jì)以來，隨著望遠(yuǎn)鏡越做越大和探測手段的不斷進(jìn)步，有很多研究者都聲稱發(fā)現(xiàn)了系外行星，但都無法得到證實(shí)。而人類的第一顆系外行星，卻被射電天文學(xué)家在一類不可思議的天體周圍偶然發(fā)現(xiàn)了。

1992年，射電天文學(xué)家亞歷山大·沃爾茲森和戴爾·弗萊在精確測量脈沖星PSR 1257+12的脈沖信號時(shí)，找到了不屬于脈沖星的其他信號，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了它周圍的兩顆系外行星，并被證實(shí)。然而脈沖星是高速自轉(zhuǎn)的中子星，中子星是大質(zhì)量恒星死亡的一類產(chǎn)物，它的密度大到在一個(gè)指甲蓋大小的體積內(nèi)，可以集中數(shù)噸的重量。脈沖星又因?yàn)橛袕?qiáng)磁場，高速轉(zhuǎn)動(dòng)并不斷向外發(fā)出周期性強(qiáng)輻射。這樣嚴(yán)酷的環(huán)境，周圍存在的系外行星肯定與我們的地球相去甚遠(yuǎn)，自然不會(huì)有生命存在。雖然這兩顆系外行星創(chuàng)造了人類首次，但顯然科學(xué)家還是更希望在跟太陽類似的恒星周圍找到行星，而不是一個(gè)死亡的“大怪物”旁邊;發(fā)現(xiàn)所用到的精確計(jì)時(shí)方法也并沒有在后續(xù)搜尋中廣泛應(yīng)用。這一發(fā)現(xiàn)也因此與諾獎(jiǎng)失之交臂。

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困難重重：難以察覺的信號

脈沖星周圍系外行星的發(fā)現(xiàn)純屬偶然，探測方法也并不普適。那更可能發(fā)現(xiàn)系外行星的方法是怎樣的呢?由于行星自身不發(fā)光，所以我們很難直接在其他恒星周圍找到可能存在的系外行星，這時(shí)候牛頓的萬有引力定律又可以來幫忙了。行星自身的質(zhì)量使得行星和恒星圍繞著他們共同的質(zhì)量中心在轉(zhuǎn)動(dòng)。那么在地球上的望遠(yuǎn)鏡，就有可能看到行星引力對于恒星的影響：行星讓恒星在天空中輕輕“搖擺”，換句話說就是在視線方向上，恒星受行星引力作用，時(shí)而遠(yuǎn)離時(shí)而靠近我們。這種細(xì)微的搖擺反應(yīng)在光譜上，就會(huì)造成恒星光譜不斷紅移和藍(lán)移的速度變化。我們稱這種探測系外行星的方法為視向速度法。

由于行星與恒星質(zhì)量相差懸殊，太陽系內(nèi)質(zhì)量最大的木星，造成的太陽視向速度額外的變化量只有12.4米/秒，換成地球則只有不到10厘米/秒。而距離我們最近的恒星也在4光年之外。也就是說，我們要在地球探測遠(yuǎn)在數(shù)光年之外恒星米每秒量級的晃動(dòng)，還要排除各種其他因素的干擾，這個(gè)難度可想而知。

當(dāng)時(shí)國際上的幾個(gè)小組就是通過這種方法，長期監(jiān)測天上的一批與太陽類似的恒星，期待發(fā)現(xiàn)其中潛在的系外行星，從而奪取這個(gè)領(lǐng)域的第一。按照人們基于太陽系的普遍認(rèn)識，距離恒星較遠(yuǎn)、質(zhì)量較大類似木星的系外行星應(yīng)該會(huì)被最先發(fā)現(xiàn)。但正所謂萬事開頭難，人們用這一方法苦苦尋找了近十年卻一無所獲。

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一舉奪魁：顛覆認(rèn)知的發(fā)現(xiàn)

在天文同行都一籌莫展的時(shí)候，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)馬約爾和奎洛茲師徒依舊默默努力著，他們將老光譜儀的探測精度提高了20倍，同時(shí)積累了更多觀測數(shù)據(jù)，并大膽地減少限制條件擴(kuò)大搜索范圍。功夫不負(fù)有心人，他們在1994年發(fā)現(xiàn)恒星飛馬座51周圍存在一個(gè)質(zhì)量至少有半個(gè)木星重的天體，每4天繞轉(zhuǎn)一圈。這一發(fā)現(xiàn)令師徒二人困惑不已。要知道，太陽系中距離太陽最近的水星，公轉(zhuǎn)周期也要88天，而這個(gè)周期更短的天體卻比水星重將近3000倍。這個(gè)看不見的天體質(zhì)量巨大卻離它的“太陽”如此之近，完全顛覆了當(dāng)時(shí)天文學(xué)界的認(rèn)知。他們花了半年多的時(shí)間排除結(jié)果中可能存在的其他錯(cuò)誤。而大洋彼岸的美國天文學(xué)家也通過獨(dú)立觀測的數(shù)據(jù)，從側(cè)面證實(shí)了他們的發(fā)現(xiàn)。1995年11月，師徒二人在《自然》雜志發(fā)表文章，正式宣布他們首次在類太陽恒星周圍發(fā)現(xiàn)了系外行星——飛馬座51b。

對于像飛馬座51b這種大質(zhì)量短周期的系外行星，由于距離恒星很近所以表面溫度極高，天文學(xué)家也給了它們一個(gè)形象的名字——熱木星。人們很難想象與太陽系內(nèi)八大行星迥異的熱木星是如何形成的，這一發(fā)現(xiàn)對當(dāng)時(shí)的行星形成理論提出了巨大挑戰(zhàn)，同時(shí)也開啟了后續(xù)系外行星探測的熱潮。

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飛速發(fā)展：系外行星的新時(shí)代

飛馬座51b的發(fā)現(xiàn)，為人類打開了發(fā)現(xiàn)系外行星的鑰匙，開啟了系外行星研究的新時(shí)代。系外行星作為天體物理學(xué)領(lǐng)域的年輕分支，在隨后的二十多年得到了蓬勃的發(fā)展。探測方法不斷革新，研究手段有了長足的進(jìn)步，研究內(nèi)容也更加細(xì)致深入。

從第一顆，到現(xiàn)在的4000多顆，我們不僅僅知道了系外行星的存在，還知道了系外行星是在恒星周圍普遍存在的，這從一到多的過程，對于人類的認(rèn)識無疑是革命性的。從熱木星，到超級地球再到類地行星，我們不僅可以發(fā)現(xiàn)大個(gè)頭的系外行星，還發(fā)現(xiàn)了更多與我們地球質(zhì)量大小類似的行星。更多地球兄弟姐妹的發(fā)現(xiàn)無疑也帶來了更多的憧憬。從簡單的測量行星周期質(zhì)量半徑，到現(xiàn)在可以探測到行星大氣上可能存在的水分子和氧分子，我們在一點(diǎn)點(diǎn)向系外生命靠近。

馬約爾和奎洛茲大膽跳出人類的固有思維，在當(dāng)時(shí)困難重重的情況下發(fā)現(xiàn)了飛馬座51b，開啟了系外行星研究的新時(shí)代，使得系外行星成了天文學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域之一，大大縮短了人類尋找“我們在宇宙中是否唯一”這一問題答案的時(shí)間。

如今，早已退休的馬約爾教授，依然繼續(xù)著系外行星的探索。他當(dāng)年的學(xué)生奎洛茲，也已成為了劍橋大學(xué)的教授，領(lǐng)導(dǎo)著多個(gè)歐洲的地面和空間系外行星探測計(jì)劃。諾貝爾獎(jiǎng)評審委員會(huì)將物理學(xué)獎(jiǎng)授予他們，不僅僅是表彰他們引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展的第一次發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也是對系外行星探測未來的充分看好和正面激勵(lì)。未來大型的空間地面望遠(yuǎn)鏡，將進(jìn)一步深入細(xì)致地研究我們近鄰的系外行星，期待能夠有一天揭開它們上面生命存在的奧秘。

延伸閱讀

用理論去解釋宇宙

本次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了兩個(gè)領(lǐng)域，除了我們上文介紹的發(fā)現(xiàn)系外行星領(lǐng)域外，另外一半獎(jiǎng)金授予了美國普林斯頓大學(xué)的宇宙學(xué)家詹姆斯·皮布爾斯，以表彰他“在物理宇宙學(xué)的理論發(fā)現(xiàn)”。

科學(xué)家對于宇宙的研究認(rèn)識，需要將觀測和理論結(jié)合起來尋找答案。皮布爾斯作為世界知名的理論宇宙學(xué)家，對于我們熟知的宇宙大爆炸模型做出了巨大貢獻(xiàn)，并在許多宇宙學(xué)領(lǐng)域都做出了開創(chuàng)性的工作。他從上世紀(jì)60年代發(fā)展起來的理論框架，對于原初元素核合成、暗物質(zhì)、宇宙中星系等結(jié)構(gòu)形成、宇宙微波背景輻射等諸多問題都給出了理論解釋，是當(dāng)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。這一整套系統(tǒng)理論中對于宇宙諸多物理過程的分析預(yù)測，為人類認(rèn)識宇宙形成和演化奠定了基礎(chǔ)，也與后來諸多的觀測結(jié)果相吻合。他的許多文章和著作是宇宙學(xué)的經(jīng)典。

在宇宙中，我們已經(jīng)認(rèn)識和研究的物質(zhì)只占整個(gè)宇宙的5%，而剩下95%的暗物質(zhì)和暗能量，對于我們?nèi)祟愡€是未知的謎團(tuán)，需要更多像皮布爾斯一樣的科學(xué)家為我們解開。(宋楠)

關(guān)鍵詞： 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)