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2019年诺贝尔物理学奖解读 发现系外行星是怎样做到的

2019/10/16 9:54:57   来源:北京日报

  2019年10月8日,瑞典皇家科学院宣布了2019年诺贝尔物理学奖的归属。本次诺奖颁发给了两个领域,其中来自瑞士的米歇尔·马约尔教授和迪迪埃·奎洛兹教授,因为“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”,而分享了本届诺贝尔物理学奖的一半奖金。

  系外行星是目前十分热门的一个研究领域,特别是这个研究与发现外星生命有关,更吸引了很多人的兴趣。

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  早期猜测:系外行星存在吗?

  人类从仰望星空的那一刻起,就开始了“我们在宇宙中是否唯一”的追问。许多历史上的伟人也不断思索着“太阳系之外到底是否有其他行星乃至生命存在”?

  早在16世纪,布鲁诺在《论无限的宇宙和世界》中就提出了对于系外行星的预言。他认为天空中的恒星,应该都像我们的太阳一样,它们的周围也会环绕着行星,而这些行星也可以孕育自己的生命。他的这一思想拓展了那时刚被哥白尼提出不久的“日心说”。然而,“地心说”的思想在当时人们心中根深蒂固,布鲁诺的思想被认为是异端邪说。

  18世纪时,牛顿在他的旷世名作《自然哲学的数学原理》一书中提到了同样的可能性。通过与太阳周围行星类比,牛顿脑海中浮现出的,是其他恒星周围类似太阳系一样行星环绕的壮观场景。系外行星的猜想也被越来越多的人所接受。

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  首次发现:脉冲星周围的异类

  19世纪以来,随着望远镜越做越大和探测手段的不断进步,有很多研究者都声称发现了系外行星,但都无法得到证实。而人类的第一颗系外行星,却被射电天文学家在一类不可思议的天体周围偶然发现了。

  1992年,射电天文学家亚历山大·沃尔兹森和戴尔·弗莱在精确测量脉冲星PSR 1257+12的脉冲信号时,找到了不属于脉冲星的其他信号,进而发现了它周围的两颗系外行星,并被证实。然而脉冲星是高速自转的中子星,中子星是大质量恒星死亡的一类产物,它的密度大到在一个指甲盖大小的体积内,可以集中数吨的重量。脉冲星又因为有强磁场,高速转动并不断向外发出周期性强辐射。这样严酷的环境,周围存在的系外行星肯定与我们的地球相去甚远,自然不会有生命存在。虽然这两颗系外行星创造了人类首次,但显然科学家还是更希望在跟太阳类似的恒星周围找到行星,而不是一个死亡的“大怪物”旁边;发现所用到的精确计时方法也并没有在后续搜寻中广泛应用。这一发现也因此与诺奖失之交臂。

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  困难重重:难以察觉的信号

  脉冲星周围系外行星的发现纯属偶然,探测方法也并不普适。那更可能发现系外行星的方法是怎样的呢?由于行星自身不发光,所以我们很难直接在其他恒星周围找到可能存在的系外行星,这时候牛顿的万有引力定律又可以来帮忙了。行星自身的质量使得行星和恒星围绕着他们共同的质量中心在转动。那么在地球上的望远镜,就有可能看到行星引力对于恒星的影响:行星让恒星在天空中轻轻“摇摆”,换句话说就是在视线方向上,恒星受行星引力作用,时而远离时而靠近我们。这种细微的摇摆反应在光谱上,就会造成恒星光谱不断红移和蓝移的速度变化。我们称这种探测系外行星的方法为视向速度法。

  由于行星与恒星质量相差悬殊,太阳系内质量最大的木星,造成的太阳视向速度额外的变化量只有12.4米/秒,换成地球则只有不到10厘米/秒。而距离我们最近的恒星也在4光年之外。也就是说,我们要在地球探测远在数光年之外恒星米每秒量级的晃动,还要排除各种其他因素的干扰,这个难度可想而知。

  当时国际上的几个小组就是通过这种方法,长期监测天上的一批与太阳类似的恒星,期待发现其中潜在的系外行星,从而夺取这个领域的第一。按照人们基于太阳系的普遍认识,距离恒星较远、质量较大类似木星的系外行星应该会被最先发现。但正所谓万事开头难,人们用这一方法苦苦寻找了近十年却一无所获。

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  一举夺魁:颠覆认知的发现

  在天文同行都一筹莫展的时候,瑞士日内瓦大学马约尔和奎洛兹师徒依旧默默努力着,他们将老光谱仪的探测精度提高了20倍,同时积累了更多观测数据,并大胆地减少限制条件扩大搜索范围。功夫不负有心人,他们在1994年发现恒星飞马座51周围存在一个质量至少有半个木星重的天体,每4天绕转一圈。这一发现令师徒二人困惑不已。要知道,太阳系中距离太阳最近的水星,公转周期也要88天,而这个周期更短的天体却比水星重将近3000倍。这个看不见的天体质量巨大却离它的“太阳”如此之近,完全颠覆了当时天文学界的认知。他们花了半年多的时间排除结果中可能存在的其他错误。而大洋彼岸的美国天文学家也通过独立观测的数据,从侧面证实了他们的发现。1995年11月,师徒二人在《自然》杂志发表文章,正式宣布他们首次在类太阳恒星周围发现了系外行星——飞马座51b。

  对于像飞马座51b这种大质量短周期的系外行星,由于距离恒星很近所以表面温度极高,天文学家也给了它们一个形象的名字——热木星。人们很难想象与太阳系内八大行星迥异的热木星是如何形成的,这一发现对当时的行星形成理论提出了巨大挑战,同时也开启了后续系外行星探测的热潮。

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  飞速发展:系外行星的新时代

  飞马座51b的发现,为人类打开了发现系外行星的钥匙,开启了系外行星研究的新时代。系外行星作为天体物理学领域的年轻分支,在随后的二十多年得到了蓬勃的发展。探测方法不断革新,研究手段有了长足的进步,研究内容也更加细致深入。

  从第一颗,到现在的4000多颗,我们不仅仅知道了系外行星的存在,还知道了系外行星是在恒星周围普遍存在的,这从一到多的过程,对于人类的认识无疑是革命性的。从热木星,到超级地球再到类地行星,我们不仅可以发现大个头的系外行星,还发现了更多与我们地球质量大小类似的行星。更多地球兄弟姐妹的发现无疑也带来了更多的憧憬。从简单的测量行星周期质量半径,到现在可以探测到行星大气上可能存在的水分子和氧分子,我们在一点点向系外生命靠近。

  马约尔和奎洛兹大胆跳出人类的固有思维,在当时困难重重的情况下发现了飞马座51b,开启了系外行星研究的新时代,使得系外行星成了天文学中最活跃的研究领域之一,大大缩短了人类寻找“我们在宇宙中是否唯一”这一问题答案的时间。

  如今,早已退休的马约尔教授,依然继续着系外行星的探索。他当年的学生奎洛兹,也已成为了剑桥大学的教授,领导着多个欧洲的地面和空间系外行星探测计划。诺贝尔奖评审委员会将物理学奖授予他们,不仅仅是表彰他们引领学科发展的第一次发现,同时也是对系外行星探测未来的充分看好和正面激励。未来大型的空间地面望远镜,将进一步深入细致地研究我们近邻的系外行星,期待能够有一天揭开它们上面生命存在的奥秘。

  延伸阅读

  用理论去解释宇宙

  本次诺贝尔物理学奖颁发给了两个领域,除了我们上文介绍的发现系外行星领域外,另外一半奖金授予了美国普林斯顿大学的宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯,以表彰他“在物理宇宙学的理论发现”。

  科学家对于宇宙的研究认识,需要将观测和理论结合起来寻找答案。皮布尔斯作为世界知名的理论宇宙学家,对于我们熟知的宇宙大爆炸模型做出了巨大贡献,并在许多宇宙学领域都做出了开创性的工作。他从上世纪60年代发展起来的理论框架,对于原初元素核合成、暗物质、宇宙中星系等结构形成、宇宙微波背景辐射等诸多问题都给出了理论解释,是当代宇宙学的基础。这一整套系统理论中对于宇宙诸多物理过程的分析预测,为人类认识宇宙形成和演化奠定了基础,也与后来诸多的观测结果相吻合。他的许多文章和著作是宇宙学的经典。

  在宇宙中,我们已经认识和研究的物质只占整个宇宙的5%,而剩下95%的暗物质和暗能量,对于我们人类还是未知的谜团,需要更多像皮布尔斯一样的科学家为我们解开。(宋楠) 

作者:宋楠     编辑:邱忠珲    责任编辑:温伟伟

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