解读2019诺贝尔物理学奖:由于他们 人类重新熟悉宇宙

解读2019诺贝尔物理学奖:由于他们 人类重新熟悉宇宙
2019年10月09日 13:55 迷信大年夜家

  出品| 新浪科技《迷信大年夜家》

  撰文| 苟利军,中国迷信院国度地理台研究员,恒星级黑洞研究团组首席迷信家,中国迷信院大年夜学地理学传授,《中国国度地理》杂志履行总编

  2019年10月8日,2019年诺贝尔物理学奖揭晓:加拿大年夜裔美国迷信家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)、瑞士迷信家米歇尔·马约尔(Michel Mayor)、瑞士迷信家迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)三人获奖。 个中一半奖金授予美国普林斯顿大年夜学的詹姆斯·皮布尔斯,获奖来由是“关于物理宇宙学方面的实际发明”;另外一半奖金授予瑞士日内瓦大年夜学的米歇尔·马约尔和瑞士日内瓦大年夜学/英国剑桥大年夜学的迪迪埃·奎洛兹,获奖来由是“发清楚明了环绕其他类太阳恒星运转的系内行星”。

  在我方才从雁栖湖教完课,还在回程路上,就被这三位地理学家取得2019年诺贝尔物理学奖的消息包抄。

  就是他们了!2019诺贝尔物理学奖得主

  本来分别有能够获奖的范畴,如今同时获奖,实在其实有些让人不测,不过也是不测而天然。

  在地理学界,皮布尔斯的名字是如雷贯耳,可以说是宇宙学范畴内的先驱性人物,自从1970年以来,他被广泛认为是世界抢先的实际宇宙学家,在这时候代,他重要对原始核分解、暗物质、宇宙微波背景和构造构成等范畴做出了实际供献。也正是他的很多供献,才使宇宙学进入了真实的精确宇宙学时代。之前我曾经在很多场合听到过众人议论皮布尔斯有望得奖的能够。俗语说,只需活得久就有能够,本年84岁的皮布尔斯终究比及了,他的获奖可称得上实至名归。

  老爷子还为我们带来了鸡汤——“奖项固然也很重要,但要由于酷爱弄科研才行啊!”

左边是宇宙未知的来源点,逐步向右边扩大,构成一个赓续变暗的宇宙。右边的曲线指导背景辐射左边是宇宙未知的来源点,逐步向右边扩大,构成一个赓续变暗的宇宙。右边的曲线指导背景辐射

  提醒宇宙汗青

  现代宇宙学提醒了宇宙的汗青,和宇宙中令人意想不到的物质和能量构成部分。与此同时,人们发明太阳远不是银河系中唯一具有行星的恒星。新的发明显示,行星体系具有广泛的多样性。在之前的几十年里,我们不只对宇宙的懂得产生了深刻的变更,并且我们也对地球在宇宙中所处的地位看法也产生了巨大年夜的改变。本年的诺贝尔物理学奖存眷的正是这些冲破性的发明。

  如此令人高兴的生长之所以成为能够,要感激之前半个世纪以来,物理学家们在宇宙学实际框架中的冲破性发明。本年的诺贝尔奖得主皮布尔斯在这个范畴做出了开创性的供献。他经过过程详细的建模,并应用分析和数值办法,对宇宙的根本属性停止了摸索,发清楚明了意想不到的新物理学。如今,我们有了一个同一的模型,可以或许描述宇宙从最后的几分之一秒到如今和悠远将来的状况变更,对我们的宇宙做出一个精确的描述。

  曾几甚么时候,宇宙学是一门充斥着没有坚实根据的猜想,数据也少得不幸。但明天,宇宙学曾经生长为一门精确的数学迷信,愈发精确的不雅测数据正发挥关键性感化。发明的时代并未终结。随着丈量精度愈来愈高,我们将有能够发明全新的,此前未能预感到的景象。物理宇宙学将为我们带来更多欣喜,而皮布尔斯正是那个将我们引向发明的领路人。

  而关于马约尔和奎洛兹,我平常关于这个系内行星范畴比较存眷,所以也是多了一些懂得。

右边是马约尔,左边是他的先生奎洛兹右边是马约尔,左边是他的先生奎洛兹

  自从地理学家赞助我们熟悉到宇宙及其广袤以后,一个很天然的成绩就出现了。

  宇宙其他处所还有生命存在吗?

  宇宙这么大年夜,除地球,还有其他处一切生命存在吗?或许说,有没有其它的星球合适于生命的存在?2014年事尾的《星际穿越》片子和2019年事首年代上映的科幻大年夜片《流浪地球》都是讲述了地球面对灾害,寻觅新的家园的任务。或许在接上去的一两百年,我们的地球会安然无事,但是,上万年或许更久的一点的时间以后,地球的情况变更就可以够不太合适生命的栖息。过世的物理学家霍金就曾猜想,假设人类不保护情况,节俭动力,那么用不了上万年,只需几百年的时间,我们就须要分开这个生我们养我们的蓝色星球。所以寻觅寻觅合适的系内行星就是地理学家的一个目标,也是在赞助将来的人类做着未雨绸缪的任务。

  寻觅地内行星的任务从上世纪80年代开端生长,终究在90年代的时辰,取得了冲破。此次获奖的两位都是瑞士的地理学家,照样一对师生。他们为寻觅太阳系以外的行星做出了开创性的任务,在1995年的时辰,他们提出了一种叫做视向速度法的办法,在飞马座51恒星四周发清楚明了一颗轨道周期为4.2天的行星,这就是我们如今熟知的飞马座51b(定名方法是结合了发明时间和间隔远近两种方法,先时间后间隔,同时发明按照从内自外,字母次序从b开端)。

  51 Pegasi具有一颗质量与木星相当的行星。1995年的这一发明标记住一片全新的天体物理学范畴就此开启,即对系内行星与行星构成过程的研究。

  此次探测,真正开启了人类探测系内行星的时代。

  这里值得一提的还有一名迷信家,他就是美国旧金山州立大年夜学的地理学家杰佛瑞·马西(Geoffrey Marcy)。他在马约尔和奎洛兹发布成果的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清楚明了环绕类太阳恒星迁移转变的第2和第3颗行星。

  马约尔和Marcy的团队,而在此以后分别由持续发清楚明了百余颗行星,这为以后深刻研究系内行星供给了很多的靠得住的统计信息。他们也引领了系内行星探测的“潮流”,所应用的视向速度法同样成为当时的主流探测办法之一。如今寻觅系内行星最重要的办法是凌星法,以后平日用视向速度法再验证。

  到今朝为止,在开普勒卫星的赞助之下,迷信家们曾经确认了将近4000颗系内行星,而还有四千多颗等待确认,让我们认识到很多的欲望系内行星体系和我们的太阳系差别很大年夜,更多的行星比我们地球要大年夜一些,超等地球就是在那样的情况之下提出来的。

  马约尔和马西还在2005年的时辰合营分享了素有西方诺贝尔之称的邵逸夫奖。说到这里,或许大年夜家会有点困惑,为甚么此次马西没有取得诺贝尔奖的喜爱呢?除任务成果的重要性,还不能不提到,在几年前的时辰,马西由于骚扰女先生而被黉舍解雇,很天然地,曾经与诺奖无缘了。

  说回来本年的诺奖,固然很多人对天体物理的获奖表示不测,但关于系内行星的获奖,实际上是很天然的。笔者在2015年接收采访的时辰,就看好它昔时会得奖,不过时隔4年,这个范畴喜获诺奖不算长。

  说到第一颗系内行星,还须要解释的一点是,平日我们会说人类发明的第一颗系内行星是1995年找到的飞马座51b。但其实,假设不看中间天体的类型的话,第一颗系内行星应当是在中子星四周发明的。

  那是1992年,波兰地理学家、美国宾夕法尼亚州立大年夜学传授亚历山大年夜·沃尔兹森(Aleksander Wolszczan)和当时正在美国国立射电地理台做博士后的戴尔·费雷欧(Dale Frail)宣布发清楚明了环绕毫秒脉冲星PSR 1257+12改变的两颗行星。

环绕中子星改变的行星想象图(图片来源:https://www.illustration-scientifique.com)环绕中子星改变的行星想象图(图片来源:https://www.illustration-scientifique.com)

  这一体系到1994年时被沃尔兹森确认。但是,一方面,在中子星四周发明的系内行星的数量异常无限,另外一方面,中子星四周情况极端特别和极端,和地球的情况相差太大年夜,关于我们懂得地外生命并没有太大年夜的赞助。不只如此,当时探测所应用的办法“脉冲计时法”,也存在很大年夜的局限性。

  是以,人们常常会把“人类发明的第一颗系内行星”这一桂冠戴到飞马座51b的头上。但精确地说,飞马座51b是人类发明的第一颗环绕类太阳恒星运转的系内行星。

这张艺术概念图描述了一颗年青的恒星被一圈由气体(重要为氢气和氦气)和尘埃构成的原行星盘所包抄的情形。在原行星盘中,行星的构成分为两步:第一步,尘埃颗粒相互撞击、构成微行星;第二步,最大年夜的微行星经过过程砾石吸积逐步增长,构成原行星  这张艺术概念图描述了一颗年青的恒星被一圈由气体(重要为氢气和氦气)和尘埃构成的原行星盘所包抄的情形。在原行星盘中,行星的构成分为两步:第一步,尘埃颗粒相互撞击、构成微行星;第二步,最大年夜的微行星经过过程砾石吸积逐步增长,构成原行星

  在尔后的一段时间内,系内行星的发明速度比较迟缓,带来这个范畴再一次巨大年夜奔腾的利器大年夜约在10多年以后出现了,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,一向运转到2018年的11月份正式退休。很快它就发清楚明了大年夜批的系内行星。如今,大年夜约有将近4000颗系内行星取得了确认,而这个中,多一半就是由开普勒卫星一个设备所发明的。除过这些确认的行星以外,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范畴所带来的巨大年夜变更,这个项目标担任人威廉·伯鲁奇(William J。 Borucki)取得了2015年的邵逸夫奖。

  就在开普勒卫星退役之前,2018年的4月,NASA由发射了别的一个系内行星寻觅的卫星,那就是凌日系内行星巡天卫星(TESS)发射升空。它筹划运转两年,将对85%的天空展开勘测,比开普勒卫星的探测区域大年夜400倍。TESS卫星将侧重寻觅环绕太阳系邻近恒星运转的行星,而这些行星的特点将借由空中不雅测手段予以肯定。到今朝为止,它也寻觅到了一批系内行星。

  除过探测系内行星以外,地理学家也展开了一些更加深刻的研究。在2001年,地理学家不雅察到了证来岁夜气存在的首个“印记”:589.3纳米的钠共振双线。而以后,地理学家又相继不雅察到了以气体情势存在的二氧化碳和水等分子。迷信家不雅测到的大年夜气层重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,随着地理学家不雅测到了一些位于宜居带中、外面可以或许支撑液态水存在的类地行星,天然有人提出疑问:这些行星上能否有生命存在?固然今朝还没有在系内行星上探测到生命,但将来的系内行星特点探测卫星(CHEOPS)、詹姆斯·韦伯太空千里镜(JWST)、行星凌日和恒星振动义务(PLATO)、和极大年夜千里镜(ELT)等空中义务都将装备先辈仪器,在类地行星大年夜气中寻觅生命存在的迹象,如氧气和甲烷等等。

  总而言之,此次获奖,皮布尔斯作为一个实际地理物理学家,赞助我们加倍深刻地懂得了宇宙的演变过程,而马约尔和奎洛兹作为地理学家,经过过程不雅测的方法赞助我们翻开了一个更广阔的系内行星的世界,让我们在太阳系以外看到我们的地球的影子。

  感激他们,推动了人类所能认知的边境,让我们看到更广阔的宇宙!

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