解读2019诺贝尔物理学奖:因为他们 人类重新认识宇宙

　　出品| 新浪科技《科学大家》

　　撰文| 苟利军，中国科学院国家天文台研究员，恒星级黑洞研究团组首席科学家，中国科学院大学天文学教授，《中国国家天文》杂志执行总编

　　2019年10月8日，2019年诺贝尔物理学奖揭晓：加拿大裔美国科学家詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）、瑞士科学家米歇尔·马约尔（Michel Mayor）、瑞士科学家迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）三人获奖。 其中一半奖金授予美国普林斯顿大学的詹姆斯·皮布尔斯，获奖理由是“对于物理宇宙学方面的理论发现”；另一半奖金授予瑞士日内瓦大学的米歇尔·马约尔和瑞士日内瓦大学/英国剑桥大学的迪迪埃·奎洛兹，获奖理由是“发现了围绕其他类太阳恒星运行的系外行星”。

　　在我刚刚从雁栖湖教完课，还在回程路上，就被这三位天文学家获得2019年诺贝尔物理学奖的消息包围。

　　就是他们了！2019诺贝尔物理学奖得主

　　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，不过也是意外而自然。

　　在天文学界，皮布尔斯的名字是如雷贯耳，可以说是宇宙学领域内的先驱性人物，自从1970年以来，他被广泛认为是世界领先的理论宇宙学家，在这期间，他主要对原始核合成、暗物质、宇宙微波背景和结构形成等领域做出了理论贡献。也正是他的很多贡献，才使宇宙学进入了真正的精确宇宙学时代。之前我曾经在很多场合听到过众人谈论皮布尔斯有望得奖的可能。俗话说，只要活得久就有可能，今年84岁的皮布尔斯终于等到了，他的获奖可称得上实至名归。

　　老爷子还为我们带来了鸡汤——“奖项虽然也很重要，但要因为热爱搞科研才行啊！”

　　揭示宇宙历史

　　现代宇宙学揭示了宇宙的历史，以及宇宙中令人意想不到的物质和能量组成部分。与此同时，人们发现太阳远不是银河系中唯一具有行星的恒星。新的发现显示，行星系统具有广泛的多样性。在过去的几十年里，我们不仅对宇宙的理解发生了深刻的变化，而且我们也对地球在宇宙中所处的地位看法也发生了巨大的改变。今年的诺贝尔物理学奖关注的正是这些突破性的发现。

　　如此令人兴奋的发展之所以成为可能，要感谢过去半个世纪以来，物理学家们在宇宙学理论框架中的突破性发现。今年的诺贝尔奖得主皮布尔斯在这个领域做出了开创性的贡献。他通过详细的建模，并利用分析和数值方法，对宇宙的基本属性进行了探索，发现了意想不到的新物理学。现在，我们有了一个统一的模型，能够描述宇宙从最初的几分之一秒到现在以及遥远未来的状态变化，对我们的宇宙做出一个精确的描述。

　　曾几何时，宇宙学是一门充斥着没有坚实依据的猜想，数据也少得可怜。但今天，宇宙学已经成长为一门精确的数学科学，愈发精确的观测数据正发挥关键性作用。发现的时代并未终结。随着测量精度越来越高，我们将有可能发现全新的，此前未能预料到的现象。物理宇宙学将为我们带来更多惊喜，而皮布尔斯正是那个将我们引向发现的领路人。

　　而对于马约尔和奎洛兹，我平常对于这个系外行星领域比较关注，所以也是多了一些了解。

　　自从天文学家帮助我们认识到宇宙及其广袤之后，一个很自然的问题就出现了。

　　宇宙其他地方还有生命存在吗？

　　宇宙这么大，除了地球，还有其他地方有生命存在吗？或者说，有没有其它的星球适合于生命的存在？2014年年底的《星际穿越》电影和2019年年初上映的科幻大片《流浪地球》都是讲述了地球面临灾难，寻找新的家园的事情。或许在接下来的一两百年，我们的地球会安然无事，然而，上万年或者更久的一点的时间之后，地球的环境变化就可能不太适合生命的居住。过世的物理学家霍金就曾预测，如果人类不保护环境，节省能源，那么用不了上万年，只需几百年的时间，我们就需要离开这个生我们养我们的蓝色星球。所以寻找寻找适宜的系外行星就是天文学家的一个目标，也是在帮助未来的人类做着未雨绸缪的事情。

　　寻找地外行星的工作从上世纪80年代开始发展，终于在90年代的时候，取得了突破。此次获奖的两位都是瑞士的天文学家，还是一对师生。他们为寻找太阳系之外的行星做出了开创性的工作，在1995年的时候，他们提出了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（命名方式是结合了发现时间和距离远近两种方式，先时间后距离，同时发现按照从内自外，字母顺序从b开始）。

　　51 Pegasi拥有一颗质量与木星相当的行星。1995年的这一发现标志着一片全新的天体物理学领域就此开启，即对系外行星与行星形成过程的研究。

　　这次探测，真正开启了人类探测系外行星的时代。

　　这里值得一提的还有一位科学家，他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，就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Marcy的团队，而在此之后分别由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，让我们意识到很多的希望系外行星系统和我们的太阳系差别很大，更多的行星比我们地球要大一些，超级地球就是在那样的情形之下提出来的。

　　马约尔和马西还在2005年的时候共同分享了素有东方诺贝尔之称的邵逸夫奖。说到这里，或许大家会有点疑惑，为什么这次马西没有获得诺贝尔奖的青睐呢？除了工作成果的重要性，还不得不提到，在几年前的时候，马西因为骚扰女学生而被学校开除，很自然地，已经与诺奖无缘了。

　　说回来今年的诺奖，虽然很多人对天体物理的获奖表示意外，但对于系外行星的获奖，其实是很自然的。笔者在2015年接受采访的时候，就看好它当年会得奖，不过时隔4年，这个领域喜获诺奖不算长。

　　说到第一颗系外行星，还需要说明的一点是，通常我们会说人类发现的第一颗系外行星是1995年找到的飞马座51b。但其实，如果不看中心天体的类型的话，第一颗系外行星应该是在中子星周围发现的。

　　那是1992年，波兰天文学家、美国宾夕法尼亚州立大学教授亚历山大·沃尔兹森（Aleksander Wolszczan）和当时正在美国国立射电天文台做博士后的戴尔·费雷欧（Dale Frail）宣布发现了围绕毫秒脉冲星PSR 1257+12旋转的两颗行星。

　　这一系统到1994年时被沃尔兹森确认。然而，一方面，在中子星周围发现的系外行星的数目非常有限，另一方面，中子星周围环境极其特殊和极端，和地球的环境相差太大，对于我们了解地外生命并没有太大的帮助。不仅如此，当时探测所使用的方法“脉冲计时法”，也存在很大的局限性。

　　因此，人们往往会把“人类发现的第一颗系外行星”这一桂冠戴到飞马座51b的头上。但准确地说，飞马座51b是人类发现的第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星。

　　在此后的一段时间内，系外行星的发现速度比较缓慢，带来这个领域再一次巨大飞跃的利器大约在10多年之后出现了，这就是被称为“行星猎手”的开普勒卫星。这颗卫星在2009年发射升空，一直运行到2018年的11月份正式退休。很快它就发现了大批的系外行星。如今，大约有将近4000颗系外行星得到了确认，而这其中，多一半就是由开普勒卫星一个设备所发现的。除过这些确认的行星之外，还有四千多颗开普勒行星还等待确认。正是开普勒卫星给行星探测领域所带来的巨大变化，这个项目的负责人威廉·伯鲁奇（William J。 Borucki）获得了2015年的邵逸夫奖。

　　就在开普勒卫星退役之前，2018年的4月，NASA由发射了另外一个系外行星寻找的卫星，那就是凌日系外行星巡天卫星（TESS）发射升空。它计划运行两年，将对85%的天空展开勘测，比开普勒卫星的探测区域大400倍。TESS卫星将着重寻找围绕太阳系附近恒星运行的行星，而这些行星的特征将借由地面观测手段予以确定。到目前为止，它也寻找到了一批系外行星。

　　除过探测系外行星之外，天文学家也开展了一些更为深入的研究。在2001年，天文学家观察到了证明大气存在的首个“印记”：589.3纳米的钠共振双线。而之后，天文学家又相继观察到了以气体形式存在的二氧化碳和水等分子。科学家观测到的大气层主要存在于气态巨行星之上，就在不久之前，研究人员在体积更小的非气态行星上成功探测到了水的存在。

　　近年来，随着天文学家观测到了一些位于宜居带中、表面能够支持液态水存在的类地行星，自然有人提出疑问：这些行星上是否有生命存在？虽然目前尚未在系外行星上探测到生命，但未来的系外行星特征探测卫星（CHEOPS）、詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）、行星凌日和恒星振动任务（PLATO）、以及极大望远镜（ELT）等地面任务都将配备先进仪器，在类地行星大气中寻找生命存在的迹象，如氧气和甲烷等等。

　　总而言之，此次获奖，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。

　　感谢他们，推进了人类所能认知的疆域，让我们看到更广阔的宇宙！