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独家解读|诺贝尔物理学奖为何颁给了写宇宙学“教科书”和寻找“

来源:三海信息门户网  发布时间:2019-11-03 17:30:56  阅读:2117

新民晚报记者张炯强高杨

当地时间10月8日,瑞典皇家科学院宣布,2019年诺贝尔物理学奖将授予詹姆斯·皮布尔斯(james peebles)、米歇尔·马约尔(michel mayor)和迪迪尔·奎罗兹(didier queloz)。普林斯顿大学的皮布尔斯教授因其“物理宇宙学的理论发现”而获奖。日内瓦大学的马约尔教授和奎罗兹教授因“发现围绕太阳型恒星运行的外行星”而获奖。

詹姆斯·皮布尔斯

Michel Majoor

迪迪埃·奎罗兹

复旦大学物理学教授时宇说,“虽然他们都是天体物理学家,但宇宙学和系外行星领域有很大的不同”。诺贝尔物理学奖的组合可以说是完全不同的,但是他们都关注人类的命运。一个是关于宇宙从哪里来,我们人类从哪里来,另一个是关于我们将去哪里。早在2015年,时宇就预测马约尔和奎罗兹将获得该奖项。

“在无边无际的宇宙中,有没有先进的外星生命”、“太阳系外有没有类似地球的行星”和“人类将来会找到移民星球”?——北京时间昨日(8日)晚,南京大学天文学院前院长周继林教授乘飞机抵达澳门机场,打开手机得知“系外行星的发现”获得诺贝尔物理学奖。他立即向记者解释了这一意义。

周继林说,几十年前,发现系外行星的想法被认为是疯狂的。许多人曾经怀疑,太阳系中有几个不同种类的行星,在宇宙中可能是不同的数目,而且没有证据表明其他恒星系统会是相同的。此外,即使那里有行星,它们也太小太暗,我们无法探测到,因为它们周围有恒星的光。然而,1995年10月6日,历史被改写了。马约尔和奎罗兹是第一个发现位于飞马座的恒星,被称为飞马座51,距地球50.9光年,有一颗行星,这是第一颗被发现的太阳系外行星。从那以后,超过3500颗系外行星被确认,而且这个数字还在上升。

马约尔和奎罗兹的突破性发现得益于恒星光谱仪器。原理是恒星的径向速度在其伴星重力的作用下周期性变化。根据多普勒效应原理,频谱显示频谱的周期性运动。天体的存在可以通过分光计探测到的微小运动和几个行星轨道周期的数据收集来探测。

周继林表示,目前,南京大学天文与空间科学学院的系外行星团队已经利用中国多单元合作的南极冰穹天空巡天望远镜,并使用一种称为行星传输(Planet transit)的方法,发现了100多颗候选行星。这些候选行星只能通过上述表观速度方法来确认。然而,周继林说,“我相信人类将能够找到第二个地球和第三个地球。”

自1970年以来,皮布尔斯教授被广泛认为是世界领先的理论宇宙学家之一,并对原始核合成、暗物质、宇宙微波背景和结构形成做出了重要的理论贡献。他的三本教科书(物理宇宙学,1971年;宇宙的大规模结构,1980年;物理宇宙学原理(1993)已经成为这个领域的标准参考书。皮布尔斯对大爆炸模型做出了许多重要贡献。和迪克等人一样,他也预测了宇宙微波背景辐射。

什么是微波背景辐射?它指的是宇宙学中“大爆炸”遗留下来的热辐射。在早期文献中,“宇宙微波背景”被称为“宇宙微波背景辐射”或“残余辐射”,这是充满整个宇宙的电磁辐射。此后,皮布尔斯的预测得到了证实。1978年,微波背景辐射的发现获得诺贝尔奖。2006年,微波背景辐射的黑体形式和各向异性获得了另一个奖项。值得一提的是,通过微波背景辐射的微小波动,科学家们已经确定了许多宇宙学参数,例如宇宙的年龄(137亿年)、宇宙中物质的密度以及早期宇宙中的初始波动。据确定,在宇宙的总密度中,普通物质占4.5%,暗物质占22%,暗能量占73.5%。中国科学院上海天文台副研究员、天体物理学博士左温温说:“诺贝尔物理学奖授予理论工作,这是对微波背景理论工作的纪念,也是一个晚期奖项。”

这是一个天体物理学的理解问题。你能读到多少是你和诺贝尔奖获得者之间的距离。

这就是科普专家对它的解释。

作者:卫诗,上海天文馆建设指挥部展览教育主任

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2019年诺贝尔物理学奖授予天体物理学家詹姆斯·皮布尔斯、米歇尔·马约尔和迪迪尔·奎罗兹。前者因其宇宙学的理论发展而获奖,而后者在系外行星领域有突破性的发现。这是第一个因研究系外行星而获得的诺贝尔奖。

我们早就知道太阳系有许多行星,所以如果我们观察整个银河系,甚至整个宇宙,就会发现无数的恒星。他们也有自己的行星吗?如果你说不,谁会相信?我们怎样才能找到它们来证明“太阳系”的普遍性?

事实上,人类探索系外行星的历史可以追溯到100年前。它起源于一颗有点特殊的恒星——巴纳德星,这是迄今为止已知的最大的自行恒星。它是由美国天文学家爱德华·爱默生·巴纳德于1916年9月发现的。自我解释表明它离我们很近。只有6光年远,所以天文学家从未放弃对它的观测。天文学家皮特·范·德·坎普从1938年到1962年连续观测巴纳德的恒星。他发现巴纳德的恒星有一种奇怪的振荡现象,所以他认为巴纳德有一颗伴星,但计算出来的质量只有木星的1.6倍,公转周期为24年。显然,如此小的质量只能被视为一颗行星,而不是一颗恒星。然而,其他天文学家对此提出质疑,甚至在哈勃太空望远镜于20世纪90年代发射之前,还没有确凿的证据证明巴纳德周围有行星。

范德坎普的方法完全正确。如果一颗恒星有伴星,无论伴星是恒星还是行星,由于重力的作用,主星都会摆动到一定程度,因为它们实际上是围绕着共同的质心旋转的。例如,我们的月亮也会导致地球摆动。公共质心距离地球中心3700公里,但它仍然在地球内部。在范德坎普之前,人们已经利用这个原理发现了天狼星的伴星。然而,问题在于行星的质量与恒星的质量相比太小,这导致恒星以非常小的振幅振荡。纯光学摄影根本无法观察到任何微小的运动。表观速度只能通过恒星光谱和多普勒原理观察光谱中吸收线的位移来测量,即恒星在振荡过程中接近或远离我们的速度。但即便如此,行星引力对恒星几乎没有影响。例如,木星造成的太阳视在速度仅为约12.7米/秒,地球造成的太阳视在速度仅为0.09米/秒!

1993年,黎明逐渐显露出来。位于法国南部的上普罗旺斯天文台(haute-provence observatory)1.93在其1.93米口径的反射望远镜上安装了一个名为elodie的光谱仪。当时观测精度达到领先水平,可以观测到13m/s的恒星视速度,后来提高到7m/s,当时正在日内瓦大学攻读博士学位的迪迪尔·奎罗兹(Didier Queloz)利用米歇尔·马约尔(Michel Majoor)的设备寻找系外行星。1995年10月6日,他们发现飞马座51星的表观速度高达56m/s!飞马座51是一颗g2型主序列星,与太阳类型相同。它的质量仅比太阳大6%,直径大20%,表面温度560万与太阳相似。他们认为恒星的这种行为受行星的影响。根据万有引力的计算,这颗行星的质量至少是木星轨道的一半,半大直径只有0.053天文单位,相当于水星轨道的14%,公转周期只有4.23天。这颗行星正逆着太阳飞行。此外,它可能是恒星的潮汐锁定,只有一面面向恒星,所以天文学家估计这颗行星的表面温度可以达到1000摄氏度。这样高的温度可能会导致它的大气膨胀到比木星大50%。这颗行星后来被称为“热木星”。

这一发现意义重大。这是第一次发现真正意义上的行星围绕主序列星旋转(波兰天文学家亚历山大·沃尔兹赞(aleksander wolszczan)在1990年2月9日通过阿雷西博射电望远镜发现处女座编号为psr b1257 12的毫秒脉冲星有行星,但脉冲星是中子星,而不是真正意义上的恒星)。除了我们著名的家,还有其他“太阳系”存在!不仅如此,这一发现还证实了我们拥有发现这些行星的技术。

果然,天文学界很快形成了多个团队相互竞争的格局。春雨过后,系外行星像竹笋一样冒出来。仅在1996年,就连续发现了六颗系外行星,其质量是木星质量的1/4到10倍以上,其中许多是热木星,采用视速度法。今天,我们已经发现了4100多个系外行星,其中近30%是通过表观速度发现的,我们的观测精度达到了0.7m/s的水平,相当于人类行走速度的微弱摆动!因此,米歇尔·马约尔(Michel Majoor)和迪迪埃·奎罗兹(Didier Queloz)的发现为我们打开了一个新的地平线,一个新的系外行星探索领域正式开启,这对理解和理解我们在宇宙中的位置具有重要意义。

编辑唐·孟佳

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