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【生活科普】多次陪跑,天文學界“村上春樹”終于拿諾獎了

錄入:平頂山市科技局  www.jlluji.live   2019-10-14 11:19:36   人氣:

來源:中國科學報

作者:陳歡歡 任芳言 池涵 劉如楠
北京時間10月8日,諾貝爾物理學獎揭曉。今年的物理學獎再次開出“雙黃蛋”——美國普林斯頓大學教授詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles)的理論發現有助于我們理解大爆炸之后的宇宙演化,瑞士日內瓦大學的米歇爾·麥耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛茲(Didier Queloz)則在宇宙中的鄰居那兒找到了未知行星。
 
諾貝爾委員會認為:他們的發現,永遠地改變了我們對宇宙的認知。
 
個人簡介:
 
 
詹姆斯·皮布爾斯 圖片來源:普林斯頓大學官網
 
詹姆斯·皮布爾斯,加拿大裔美國物理學家和理論宇宙學家,1935年4月25日生于加拿大曼尼托巴省溫尼伯市,并在曼尼托巴大學獲得學士學位,目前是普林斯頓大學的阿爾伯特·愛因斯坦科學名譽教授。
 
 
米歇爾·麥耶(左)和迪迪埃·奎洛茲(右)圖片來源:日內瓦大學官網
 
米歇爾·麥耶,瑞士日內瓦大學教授。1942年1月12日出生于瑞士洛桑。他于1966年在洛桑大學獲得物理學碩士學位,于1971年在日內瓦天文臺獲得天文學博士學位。
 
 
迪迪埃·奎洛茲1966年出生于瑞士。1995年在瑞士日內瓦大學獲得博士學位,目前是日內瓦大學和英國劍橋大學的教授。
 
《中國科學報》:獲獎成果意義何在?能否給我們科普一下。
 
中國科學院國家天文臺研究員陳學雷:
 
宇宙是如何演化到現在這個樣子?普林斯頓大學教授詹姆斯·皮布爾斯是系統回答了這個問題的人之一。
 
人們一直想研究宇宙的起源,在逐漸接受宇宙膨脹的概念之后,上溯上去,膨脹之前的宇宙是怎樣的?這就不得不提到宇宙大爆炸理論,而宇宙微波背景輻射是大爆炸最主要的可觀測后果和有力證明。
 
皮布爾斯是宇宙微波輻射的提出者之一,他在上世紀60年代前后提出了宇宙大爆炸中可能出現宇宙微波背景輻射。這一概念最早由伽莫夫和阿爾夫師徒提出,皮布爾斯不是最早的提出者,這可能是為什么他長時間以來沒有獲獎的原因,不過前面幾位科學家都已去世。
 
但是,皮布爾斯不僅提出了這個想法,還做了很多深入的理論研究,比如微波背景輻射應該是怎么樣的,宇宙在大尺度上的不均勻是怎樣形成和演化的。他給出了詳細的計算過程,討論了非均勻的溫度分布,一些計算方法至今仍然被人們使用。皮布爾斯還寫了很多這方面的文章和著作,發展宇宙結構形成的理論。他的三本教科書成為該領域的標準參考書。
 
皮布爾斯是一位大家,有廣闊的視野。2005年前后,我曾邀請他來華訪問,想請他聊一聊對學科未來發展的想法,也希望我們的學生有機會跟他面對面。可惜因為種種原因未能成行。不過皮布爾斯來過中國。我記得他說他來北京的時候,非常喜歡觀鳥,如果有機會還想來北京觀鳥。為此我還特地找了生物系的朋友,遺憾未能成行。
 
中國科學院國家天文臺副研究員劉玉娟:
 
1995年10月,米歇爾·麥耶和他的學生迪迪爾·奎洛茲在《自然》雜志上宣布,他們發現了距離我們50光年的一顆行星。這成為類太陽系外行星的首個證據。
 
米歇爾•麥耶和迪迪埃•奎洛茲之所以能有這次發現,是因為探測精度得到極大的提高。這是一個人類認識系外天體的一個里程碑式的發展。
 
早在1992年,天文學家發現了兩顆繞一顆脈沖星運轉的行星。這并沒有引起公眾很大的振動,原因是其主星是一個脈沖星,密度特別大,其極端的環境基本不可能有生命的存在。
 
人們關心地外生命,第一步首先需要發現系外行星,下面才有可能發現系外生命,乃至智慧生命。在恒星演化早期和晚期,恒星都不穩定,周圍很難存在高級生命,只有類太陽星周圍的行星,才有這種可能。
 
因此,兩位諾獎得主是第一個在類太陽星周圍發現了一顆系外行星,滿足了人們想在太陽系之外找到系外行星的想象,為大家打開了一扇通往尋找系外生命的大門。
 
 
 
《中國科學報》:聽說有一位獲獎者此前已經多次錯過諾獎,是美國天文學界的“村上春樹”?
 
中國科學技術大學天文系教授蔡一夫:
 
皮布爾斯是我們的一位偉大前輩,在大爆炸理論的雛形剛剛被提出的時候,就參與到這個理論發展當中的一個宇宙學家,并做出了幾項影響深遠的工作。但是在此之前,他已經多次和諾貝爾獎完美錯過。
 
皮布爾斯第一個很重要的工作是參與了預言宇宙微波背景輻射的存在的比較前沿的工作。上世紀60年代的時候,皮布爾斯向美國政府提出要設計實驗,在微波段尋找宇宙微波背景輻射。正在提出這個項目的時候,有兩個無線電工程師找到他,說他們有一個意外的發現,不知道怎么解釋。經過皮布爾斯的理論檢驗,發現那兩位無線電工程師所發現的就是宇宙微波背景輻射。
 
這項發現促成了這兩位無線電工程師阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特.威爾遜于1978年獲得了第一個微波背景輻射方面的諾貝爾物理獎。
 
上世紀70年代,現代宇宙學的理論研究轉移到一些更加細節化的方向,包括暗物質的早期研究,以及宇宙大尺度結構。皮布爾斯和前蘇聯的兩位科學家蘇尼亞耶夫和澤爾多維奇共同搭建了宇宙大尺度結構最開始的理論框架性研究,預言了宇宙微波背景輻射可能存在著漣漪,并認為宇宙大尺度結構原始的種子,跟宇宙微波背景輻射溫度的漣漪是有關系的。
 
1992年,NASA發射的宇宙微波背景輻射衛星COBE證實了宇宙微波背景輻射當中存在著漣漪的預言。2006年諾貝爾物理獎授予了領導COBE項目的約翰•馬瑟和喬治•斯穆特。皮布爾斯再次錯過。
 
從上世紀90年代開始,皮布爾斯就把研究工作完全轉移到了宇宙微波背景輻射和大尺度結構這些現代宇宙學的前沿領域,比如利用宇宙微波背景輻射對于中微子性質的一些檢驗限制。這次的諾貝爾獎應該是綜合他一輩子的貢獻,對于他促成了現代宇宙學的這門新興學科的成立所給予的肯定。
 
 
《中國科學報》:獲獎者是否實至名歸?
 
南京大學天文與空間科學學院副教授謝基偉:
 
2007年我們在蘇州舉辦過一個系外行星的國際會議。麥耶也來了,我們也給他頒了獎。他在2005年還得過邵逸夫天文獎。在我們這個領域看來,他們得諾貝爾獎是遲早的事。
 
為什么是麥耶和奎洛茲首先發現類太陽系外行星?我個人覺得有兩個原因。
 
第一是技術原因。徑向速度的恒星擺動只有幾十米每秒,與高速路上的汽車大致相當,而把這個速度放到宇宙中,放在一顆恒星上,其實是非常慢、信號很弱的,所以探測起來很困難。麥耶和奎洛茲的發現不是突然和偶然的,也是經過不斷地改良技術和提高精度,積累了很多觀測經驗才成功的。
 
另外我覺得有一點點運氣和科研思路的原因。麥耶和奎洛茲之前,也有其他的團隊達到這種技術和觀測精度,但大部分人找系外行星的策略不太一樣,都是按照太陽系的模型去做的,認為大行星的周期至少是以年為單位,預設了長周期的觀念后去觀測,所以遲遲沒有找到。
 
我不知道麥耶他們是怎么想到的,或許他們也沒有預想到。飛馬座51b這顆星的一年只相當于地球上的4天,所以他們這一發現的不可思議之處在于,完全改變了人們的宇宙觀,改變了人們對行星的認識。居然可以有這么一顆行星,它的周期這么短,離它的恒星那么的近,有多近?只有和地球和太陽之間距離的1/20。
 
之前人們的思維可能有些固化,麥耶等人突破了這個固化,因此找到了。也正是從他們的突破開始,之后有了上百上千顆系外行星被發現,麥耶等人的成就相當于揭開了系外行星研究的序幕。
 
 
 
《中國科學報》:宇宙學聽起來離我們那么遠,目前國內外的研究現狀如何?
 
中國科學技術大學天文系教授蔡一夫:
 
對于用宇宙微波背景輻射來研究宇宙的起源演化,今天也到了一個新的時代,從過去我們從微波背景輻射的溫度中尋找漣漪,到今天我們尋找極化信號、偏振信號,其中有一類E模偏振已經被找到了。而未來的宇宙微波背景輻射實驗,是去尋找原初的B模信號,這是和來自宇宙最早期的原初引力波是相關的。
 
很遺憾,由于中國在這方面的起步比較晚,在過去長達半個多世紀的時間里,我國的天文科學的這些研究也完美地錯過了這些偉大的發現。但是今天,中國已經在引力波方面的進行了全面的布局,其中有一塊就是對于宇宙原初引力波的尋找。期待在不久的將來,中國的天文學研究能夠迎頭趕上,做出重大發現。
 
 
中國科學院國家天文臺副研究員劉玉娟:
 
從1995年至今人類已經發現了4千多顆系外行星了。這個發現速度是非常快的。其中利用視向速度方法發現的有700多顆,另外一大貢獻是開普勒衛星利用掩星的方法探測到的。包括前幾年像“地球表兄弟”、“葫蘆娃兄弟”這些發現讓大家逐漸了解了系外行星。
 
系外行星的探測在歐美比較熱門,很多人在研究,使用了各種儀器和方法去探測。
 
在可居住帶內發現類地行星,現在已經有幾十顆了。我們想找到這種星,同時利用較高精度的探測設備對大氣進行探測,找到是否有適合生命存在的成分,比如甲烷,水,臭氧等。這是目前比較熱門的研究方向。
 
另外一個比較熱門的就是大的探測項目,比如開普勒衛星發現了2000多顆系外行星,占了整個發現總量的一半多。只有從這些大量的發現里面,才能夠去統計各種性質和變化。
 
國內做這塊研究的目前不是很多,主要是因為設備比較欠缺,申請國外望遠鏡又比較困難,所以成果方面沒有國際上產出多,但主流方法和先進性都是跟國際保持一致的。也有幾個不錯的團隊,如中科院國家天文臺趙剛團隊,用的也是跟米歇爾•麥耶和迪迪埃•奎洛茲一樣的視向速度方法,在2008年利用中國的設備發現國內第一顆系外行星。我們現在致力于設備升級改造,目標是探索超級地球,類地行星等。另外,南京大學周濟林團隊在南極放了小望遠鏡,利用凌星方法去探測系外行星。
 

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