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2019年诺贝尔物理学奖解读:系外行星是如何发现的?

2019-12-02 18:41:58

白继开摄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。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。我们称这种探测系外行星的

白继凯照片

2019年10月8日,瑞典皇家科学院宣布授予2019年诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖授予了两个领域,其中瑞士的米歇尔·马约尔教授和迪迪埃·奎罗兹教授分享了诺贝尔物理学奖的一半奖金,因为他们“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的外行星”。

外星行星目前是一个非常热门的研究领域,尤其是与发现外星生命相关的研究,吸引了越来越多的人的兴趣。

早期推测:有太阳系外行星吗?

从我们仰望星空的那一刻起,人类就开始问我们是否是宇宙中唯一的一个。历史上许多伟人一直在思考“太阳系之外是否还有其他行星甚至生命”?

早在16世纪,布鲁诺就在《无限宇宙与世界》中提出了他对系外行星的预测。他认为天空中的星星应该都像我们的太阳。它们也会被行星包围,这些行星也能孕育它们自己的生命。他的思想扩展了哥白尼当时刚刚提出的“日心说”。然而,“地心说”的思想在当时深深植根于人们的心中,布鲁诺的思想被认为是异端邪说。

在18世纪,牛顿在他著名的著作《自然哲学的数学原理》中提到了同样的可能性。通过与围绕太阳的行星进行类比,牛顿的脑海中充满了行星围绕太阳系等其他恒星旋转的壮观景象。越来越多的人也接受了系外行星的猜想。

首次发现:脉冲星周围的异质性

自19世纪以来,随着望远镜尺寸的增加和探测方法的不断改进,许多研究人员声称已经发现了系外行星,但没有一颗能够得到证实。然而,人类的第一颗太阳系外行星是由射电天文学家在一种不可思议的天体周围偶然发现的。

1992年,射电天文学家aleksander wolszczan和Dale Frye在精确测量脉冲星psr 1257 12的脉冲信号时,发现了其他不属于脉冲星的信号,然后在它周围发现了两颗系外行星,这得到了证实。然而,脉冲星是高速旋转的中子星。中子星是大质量恒星死亡的产物。它们的密度如此之高,以至于它们可以在指甲大小的体积内集中几吨重量。脉冲星高速旋转,并由于强磁场而发出周期性强辐射。在如此恶劣的环境下,我们周围的系外行星肯定离我们的地球很远。自然,不会有生命。尽管这两颗系外行星首次创造了人类,但很明显,科学家们仍然更喜欢在类似太阳的恒星周围找到行星,而不是在一个死去的“怪物”旁边。发现所使用的精确计时方法在随后的搜索中没有被广泛使用。这一发现也错过了诺贝尔奖。

困难:难以察觉的信号

脉冲星周围系外行星的发现纯属偶然,检测方法也不是万能的。寻找系外行星的更有可能的方法是什么?由于行星本身不发光,很难直接在其他恒星周围找到可能的系外行星。牛顿万有引力定律又有帮助了。行星自身的质量使行星和恒星围绕它们共同的质心旋转。然后地球上的望远镜可能会看到行星引力对恒星的影响:行星使恒星在天空中“轻轻摆动”,换句话说,恒星受到行星引力的影响,有时会向我们移动,有时会向我们靠近。光谱上的轻微摇摆反应将导致恒星光谱的恒定红移和蓝移。我们称这种探测系外行星的方法为表观速度法。

由于行星和恒星质量的巨大差异,太阳系中最大的质量木星导致太阳表观速度的额外变化仅为12.4米/秒,而地球的表观速度不到10厘米/秒。最近的恒星在4光年之外。也就是说,我们必须探测距离地球光年数米每秒的恒星抖动,并且我们必须消除各种其他因素的干扰。困难是可以想象的。

当时,几个国际团队使用这种方法长期监测天空中一组类似太阳的恒星,希望在其中发现潜在的系外行星,从而在这个领域占据第一位。根据人们基于太阳系的常识,应该首先发现远离恒星、质量与木星相似的系外行星。然而,俗话说,万事开头难。近十年来,人们一直在努力寻找这种方法,但一无所获。

一举获得一等奖:颠覆认知的发现

当天文学家们束手无策时,瑞士日内瓦大学的马约尔和奎罗兹大师仍然默默工作。他们将旧光谱仪的探测精度提高了20倍,积累了更多的观测数据,并大胆减少了限制,扩大了搜索范围。好事多磨。1994年,他们在飞马座51星周围发现了一个质量至少有一半木星的天体。它每4天绕轨道运行一次。这一发现令师父和徒弟迷惑不解。你知道,水星在太阳系中离太阳最近,它的公转周期为88天,而周期较短的物体比水星重近3000倍。这个看不见的天体质量很大,但离它的“太阳”如此之近,以至于完全颠覆了当时天文学界的认知。他们花了半年多的时间消除了结果中其他可能的错误。大洋彼岸的美国天文学家也通过独立观察的数据证实了他们的发现。1995年11月,师徒在《自然》杂志上发表了一篇文章,正式宣布他们第一次在一颗类太阳恒星周围发现了飞马座51b,一颗系外行星。

对于像飞马座51b这样质量大、周期短的系外行星来说,由于它们离恒星很近,表面温度极高,天文学家给它们取了一个图像名——热木星(hot Jupiter)。人们很难想象木星是如何形成的,它与太阳系的八颗行星大不相同。这一发现对当时的行星形成理论提出了巨大挑战,也引发了随后的外行星探索热潮。

快速发展:外星星球的新时代

飞马座51b的发现打开了发现系外行星的钥匙,并开启了系外行星研究的新时代。外星行星,作为天体物理学的一个年轻分支,在接下来的20年里蓬勃发展。检测方法不断创新,研究方法有了很大进步,研究内容更加详细和深入。

从第一个到现在的4000多个,我们不仅知道系外行星的存在,还知道系外行星在恒星周围无处不在。从一个到多个的过程对人类的理解无疑是革命性的。从炽热的木星到超级地球再到类地行星,我们不仅能找到大的系外行星,还能找到更多与地球质量相同的行星。毫无疑问,地球上更多兄弟姐妹的发现带来了更多的希望。从对行星周期性质量半径的简单测量到目前对行星大气中可能存在的水分子和氧分子的检测,我们一点一点地接近系统之外的生命。

马约尔和奎罗兹大胆跳出人类固有的思维,在当时困难的环境下发现了飞马座51b,开启了系外行星研究的新时代,使系外行星成为天文学中最活跃的研究领域之一,大大缩短了人类寻找“我们在宇宙中是独一无二的吗”问题答案的时间。

今天,已经退休的马约尔教授继续探索系外行星。他以前的学生奎罗兹也成为了剑桥大学的教授,领导了几个欧洲太阳系外行星的地面和太空探索项目。诺贝尔奖评审委员会授予他们物理学奖,不仅是因为他们的首次发现引领了该学科的发展,也因为他们对未来探索系外行星充满乐观和积极的动机。未来,大型太空地面望远镜将进一步深入细致地研究我们邻国的系外行星,希望有一天能揭开它们生命的奥秘。

扩展阅读

用理论解释宇宙

诺贝尔物理学奖被授予两个领域。除了我们上面描述的发现系之外的行星领域,另一半被授予普林斯顿大学宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯(James peebles),以表彰他的“物理宇宙学的理论发现”。

科学家需要把观察和理论结合起来,找到他们对宇宙研究理解的答案。作为世界著名的理论宇宙学家,皮布尔斯对著名的大爆炸模型做出了巨大贡献,并在宇宙学的许多领域做出了开创性的工作。他从20世纪60年代发展起来的理论框架对许多问题给出了理论上的解释,如初级元素的核合成、暗物质、宇宙中星系等结构的形成、宇宙微波背景辐射等,这些都是当代宇宙学的基础。这套系统论对宇宙中许多物理过程的分析和预测,为人类理解宇宙的形成和演化奠定了基础,也与后来的许多观察结果相一致。他的许多文章和作品都是宇宙学经典。

在宇宙中,我们已知和研究的物质只占整个宇宙的5%,而剩余的95%的暗物质和暗能量对我们人类来说仍然是未知的秘密,需要更多像皮布尔斯这样的科学家来为我们解决。

资料来源:《北京日报》

作者:宋楠

过程编辑:王宏伟

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