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2019年諾貝爾物理學獎解讀 發現係外行星是怎樣做到的
2019-10-16 09:28:00 來源: 北京日報
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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,瑞典皇家科學院宣布了2019年諾貝爾物理學獎的歸屬。本次諾獎頒發給了兩個領域,其中來自瑞士的米歇爾·馬約爾教授和迪迪埃·奎洛茲教授,因為“發現了一顆圍繞類太陽恒星運行的係外行星”,而分享了本屆諾貝爾物理學獎的一半獎金。

  係外行星是目前十分熱門的一個研究領域,特別是這個研究與發現外星生命有關,更吸引了很多人的興趣。

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  早期猜測:係外行星存在嗎?

  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“太陽係之外到底是否有其他行星乃至生命存在”?

  早在16世紀,布魯諾在《論無限的宇宙和世界》中就提出了對于係外行星的預言。他認為天空中的恒星,應該都像我們的太陽一樣,它們的周圍也會環繞著行星,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剛被哥白尼提出不久的“日心説”。然而,“地心説”的思想在當時人們心中根深蒂固,布魯諾的思想被認為是異端邪説。

  18世紀時,牛頓在他的曠世名作《自然哲學的數學原理》一書中提到了同樣的可能性。通過與太陽周圍行星類比,牛頓腦海中浮現出的,是其他恒星周圍類似太陽係一樣行星環繞的壯觀場景。係外行星的猜想也被越來越多的人所接受。

  2

  首次發現:脈衝星周圍的異類

  19世紀以來,隨著望遠鏡越做越大和探測手段的不斷進步,有很多研究者都聲稱發現了係外行星,但都無法得到證實。而人類的第一顆係外行星,卻被射電天文學家在一類不可思議的天體周圍偶然發現了。

  1992年,射電天文學家亞歷山大·沃爾茲森和戴爾·弗萊在精確測量脈衝星PSR 1257+12的脈衝信號時,找到了不屬于脈衝星的其他信號,進而發現了它周圍的兩顆係外行星,並被證實。然而脈衝星是高速自轉的中子星,中子星是大質量恒星死亡的一類産物,它的密度大到在一個指甲蓋大小的體積內,可以集中數噸的重量。脈衝星又因為有強磁場,高速轉動並不斷向外發出周期性強輻射。這樣嚴酷的環境,周圍存在的係外行星肯定與我們的地球相去甚遠,自然不會有生命存在。雖然這兩顆係外行星創造了人類首次,但顯然科學家還是更希望在跟太陽類似的恒星周圍找到行星,而不是一個死亡的“大怪物”旁邊;發現所用到的精確計時方法也並沒有在後續搜尋中廣泛應用。這一發現也因此與諾獎失之交臂。

  3

  困難重重:難以察覺的信號

  脈衝星周圍係外行星的發現純屬偶然,探測方法也並不普適。那更可能發現係外行星的方法是怎樣的呢?由于行星自身不發光,所以我們很難直接在其他恒星周圍找到可能存在的係外行星,這時候牛頓的萬有引力定律又可以來幫忙了。行星自身的質量使得行星和恒星圍繞著他們共同的質量中心在轉動。那麼在地球上的望遠鏡,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”,換句話説就是在視線方向上,恒星受行星引力作用,時而遠離時而靠近我們。這種細微的搖擺反應在光譜上,就會造成恒星光譜不斷紅移和藍移的速度變化。我們稱這種探測係外行星的方法為視向速度法。

  由于行星與恒星質量相差懸殊,太陽係內質量最大的木星,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。也就是説,我們要在地球探測遠在數光年之外恒星米每秒量級的晃動,還要排除各種其他因素的幹擾,這個難度可想而知。

  當時國際上的幾個小組就是通過這種方法,長期監測天上的一批與太陽類似的恒星,期待發現其中潛在的係外行星,從而奪取這個領域的第一。按照人們基于太陽係的普遍認識,距離恒星較遠、質量較大類似木星的係外行星應該會被最先發現。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:顛覆認知的發現

  在天文同行都一籌莫展的時候,瑞士日內瓦大學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,同時積累了更多觀測數據,並大膽地減少限制條件擴大搜索范圍。功夫不負有心人,他們在1994年發現恒星飛馬座51周圍存在一個質量至少有半個木星重的天體,每4天繞轉一圈。這一發現令師徒二人困惑不已。要知道,太陽係中距離太陽最近的水星,公轉周期也要88天,而這個周期更短的天體卻比水星重將近3000倍。這個看不見的天體質量巨大卻離它的“太陽”如此之近,完全顛覆了當時天文學界的認知。他們花了半年多的時間排除結果中可能存在的其他錯誤。而大洋彼岸的美國天文學家也通過獨立觀測的數據,從側面證實了他們的發現。1995年11月,師徒二人在《自然》雜志發表文章,正式宣布他們首次在類太陽恒星周圍發現了係外行星——飛馬座51b。

  對于像飛馬座51b這種大質量短周期的係外行星,由于距離恒星很近所以表面溫度極高,天文學家也給了它們一個形象的名字——熱木星。人們很難想象與太陽係內八大行星迥異的熱木星是如何形成的,這一發現對當時的行星形成理論提出了巨大挑戰,同時也開啟了後續係外行星探測的熱潮。

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  飛速發展:係外行星的新時代

  飛馬座51b的發現,為人類打開了發現係外行星的鑰匙,開啟了係外行星研究的新時代。係外行星作為天體物理學領域的年輕分支,在隨後的二十多年得到了蓬勃的發展。探測方法不斷革新,研究手段有了長足的進步,研究內容也更加細致深入。

  從第一顆,到現在的4000多顆,我們不僅僅知道了係外行星的存在,還知道了係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,我們不僅可以發現大個頭的係外行星,還發現了更多與我們地球質量大小類似的行星。更多地球兄弟姐妹的發現無疑也帶來了更多的憧憬。從簡單的測量行星周期質量半徑,到現在可以探測到行星大氣上可能存在的水分子和氧分子,我們在一點點向係外生命靠近。

  馬約爾和奎洛茲大膽跳出人類的固有思維,在當時困難重重的情況下發現了飛馬座51b,開啟了係外行星研究的新時代,使得係外行星成了天文學中最活躍的研究領域之一,大大縮短了人類尋找“我們在宇宙中是否唯一”這一問題答案的時間。

  如今,早已退休的馬約爾教授,依然繼續著係外行星的探索。他當年的學生奎洛茲,也已成為了劍橋大學的教授,領導著多個歐洲的地面和空間係外行星探測計劃。諾貝爾獎評審委員會將物理學獎授予他們,不僅僅是表彰他們引領學科發展的第一次發現,同時也是對係外行星探測未來的充分看好和正面激勵。未來大型的空間地面望遠鏡,將進一步深入細致地研究我們近鄰的係外行星,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

  本次諾貝爾物理學獎頒發給了兩個領域,除了我們上文介紹的發現係外行星領域外,另外一半獎金授予了美國普林斯頓大學的宇宙學家詹姆斯·皮布爾斯,以表彰他“在物理宇宙學的理論發現”。

  科學家對于宇宙的研究認識,需要將觀測和理論結合起來尋找答案。皮布爾斯作為世界知名的理論宇宙學家,對于我們熟知的宇宙大爆炸模型做出了巨大貢獻,並在許多宇宙學領域都做出了開創性的工作。他從上世紀60年代發展起來的理論框架,對于原初元素核合成、暗物質、宇宙中星係等結構形成、宇宙微波背景輻射等諸多問題都給出了理論解釋,是當代宇宙學的基礎。這一整套係統理論中對于宇宙諸多物理過程的分析預測,為人類認識宇宙形成和演化奠定了基礎,也與後來諸多的觀測結果相吻合。他的許多文章和著作是宇宙學的經典。

  在宇宙中,我們已經認識和研究的物質只佔整個宇宙的5%,而剩下95%的暗物質和暗能量,對于我們人類還是未知的謎團,需要更多像皮布爾斯一樣的科學家為我們解開。(宋楠)

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【糾錯】 責任編輯: 黃浩
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