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天体物理获诺奖很意外?全面解读来了!

来源:光明网2019-10-09 16:28

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  昨天,科学界的大事儿——2019年诺贝尔物理学奖公布,今年再次开出了“双黄蛋”,普林斯顿大学的阿尔伯特·爱因斯坦科学名誉教授詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)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(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)因发现一颗环绕类太阳恒星的系外行星共享另一半奖金。他们的研究有什么意义?又凭啥获得诺奖呢?

天体物理获诺奖很意外?全面解读来了!

  詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles),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,对宇宙大爆炸模型做了重要贡献。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。

天体物理获诺奖很意外?全面解读来了!

  米歇尔·马约尔(Michel Mayor),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。(右)迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz),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。(左)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。

  三位诺奖得主的研究可谓非常高大上,为此光明网采访了该领域的相关专家,来看看他们接地气儿的解读。

  光明网:很多人说今年的诺贝尔物理学奖令人很意外,为什么这么说?您怎么看?

  苟利军: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,但也很兴奋。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的地球的影子。感谢这些帮助我们推进认识疆域的科学家们!

  周爱英:热烈祝贺!非常高兴!国家天文台的蒋世仰老师就曾在多年前预测马约尔教授将会获得诺贝尔奖。我曾在1997年8月有幸访学两位瑞士天文学家,他们待人很友善。马约尔教授带我在洛桑湖里试水他岳父亲手做的新木船,我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厉害。

  光明网:詹姆斯·皮布尔斯的研究为我们认识宇宙带来哪些影响?

  陈学雷:皮布尔斯在宇宙学领域做出了许多开创性的工作,我觉得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。

  上世纪60年代,皮布尔斯作为迪克(Dicke)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在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怎样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》,也是这一领域的名著。

  光明网:发现系外行星有什么划时代意义?这对我们认识宇宙有哪些根本性的改变?

  苟利军:在我看来,如果一句话来总结系外行星的发现的话,那就是通过系外行星的探测,让我们看到了太阳系之外我们地球的影子。在系外行星真正发现之前,尽管有很多的关于系外行星的猜测,我们并不知道我们太阳系在宇宙中的典型程度,等到真正的发现之后,才发觉宇宙其它地方的太阳系真的是差别极大。

  在目前所确认的将近4000颗系外行星当中,绝大多数要比我们地球要大,比海王星要小,而和我们地球极为相近的行星极少。此次获奖,皮布尔斯作为一个宇宙学方面的理论天体物理学家,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。他们共同帮助我们打开了这个宇宙的不同未知维度。

  光明网:马约尔和奎洛兹分别有哪些成就?他们发现的系外行星有什么特别之处?

  苟利军:两位系外行星的诺奖得主是在寻找太阳系之外的行星方面做出了开创性的工作。在1995年的时候,当时他们还是师生关系,他们利用一种叫做视向速度法的方法,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(命名是同时结合了发现时间和距离远近两种方式,先发现时间后距离远近,同时发现按照从内自外,字母顺序从b开始)。这次探测,真正开启了人类探测系外行星的时代。

  其实,这里值得一提的还有一位科学家,那就是美国旧金山州立大学的天文学家杰佛瑞·马西(Geoffrey Marcy)。他在马约尔和奎洛兹发布结果的6天后,也就是1995年的10月12日,带领团队确认了这个行星,并在不久后又相继发现了围绕类太阳恒星转动的第2和第3颗行星。马约尔和奎洛兹的团队,在此之后分别又继续发现了百余颗行星,这为之后深入研究系外行星提供了很多的可靠的统计信息。他们也引领了系外行星探测的“潮流”,所使用的视向速度法也成为当时的主流探测方法之一。

  现在寻找系外行星最重要的方法是凌星法,之后通常用视向速度法再验证。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,而还有四千多颗等待确认。

  魏星:今年诺贝尔物理奖的一半奖金颁给了系外行星的发现。系外行星就是太阳系以外的行星,跟我们太阳系类似,系外行星也是围绕着它的恒星运动。1995年日内瓦大学的马约尔教授和他的博士生奎洛兹发现了距离我们50光年的一颗行星,围绕它的恒星(飞马座51)运动。这颗行星是气态行星,跟木星质量差不多,但离它的恒星非常近,只有太阳到地球距离的1/20,公转周期只有4天。因为它离恒星很近,温度很高,称为“热木星”。在1992年,人们就发现了围绕脉冲星运动的行星,1995年发现的是第一颗围绕类似太阳这样的恒星运动的行星。

  马约尔和奎洛兹当时发现这颗行星的方法叫做径向速度法。当行星质量比较大,又离恒星比较近的时候,恒星就会受行星影响而产生能被观测到的微小运动,运动速度在观测方向的投影会周期变化(飞马座51的运动速度幅值大概只有每秒50米),这个周期变化会体现在恒星光谱的多普勒频移中,从而推断出行星的质量、轨道周期等信息。目前发现的系外行星已经有四千多颗,除了气态行星,还有像地球这样的行星,用到的方法主要有径向速度法、凌星法、微引力透镜法等等。

  对于系外行星的研究有很多目的,一是为我们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我们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。

  孩子都对星空有过好奇,在宇宙面前我们永远是孩子,人类对宇宙的探索永无止境。希望更多的人加入到天文的研究,加入到行星科学的研究。(宋雅娟、蔡琳)

  受访专家:陈学雷,中国科学院国家天文台研究员,主要从事暗物质、暗能量、星系大尺度结构等宇宙学研究;苟利军,中国科学院国家天文台研究员,中国科学院大学岗位教授,《中国国家天文》杂志执行总编;魏星,北京师范大学天文系教授;周爱英,中国科学院国家天文台研究员。

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