2019諾獎官方解讀翻譯:來自地球上的,對星辰和宇宙的新視角

中科院物理所 2019-10-12

  * 文章翻譯自諾貝爾獎官網

  來自地球上的,對星辰和宇宙的新視角

  

  2019 年諾貝爾物理學獎授予了:對宇宙結構以及歷史的新理解,和首次發現一顆圍繞類日恒星運轉的系外行星兩項工作。本年度的諾貝爾獎得主對回答我們如何存在的這個問題做出了貢獻。宇宙早期發生了什么?它將要發生什么?我們的太陽系外會有其他的行星嗎?他們在圍繞其他的太陽運轉嗎?

  詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles)研究的宇宙包含數以億計的星系和星系團。他在 20 世紀 60 年代中期提出了自己的理論框架,并在之后二十年對它進行了發展。這個理論框架是理解宇宙從大爆炸到此刻之間的歷史的基石。皮布爾斯的發現讓我們對所處的宇宙環境有了深刻的認識。我們的宇宙中,可見物質僅僅占了所有物質和能量的 5%,而剩下 95% 的物質一直處于隱藏狀態。這是現代物理學中的一個未解的謎題和挑戰。

  米歇爾·麥耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛茲(Didier Queloz)探索了我們的銀河系,以期找到一些之前不為人知的世界。1995年,他們觀測到了第一個太陽系外的行星正在圍繞一個類日恒星運動。這個發現和我們之前關于這些世界的認識不同并推動了天文學的發展。已經發現的超過 4000 顆系外行星以各種形態存在,它們與我們的太陽和行星幾乎完全不同。這些發現促使科學家去建立描述行星產生的新理論。

  一聲巨響,宇宙學就這么開始了

  過去 50 年是宇宙學發展的黃金時期,尤其是對于宇宙起源和演化的相關研究。上世紀 60 年代,人們對宇宙學的研究開始從經驗主義轉變到科學分析的基礎之上。引領這一轉變的關鍵人物正是詹姆斯.皮布爾斯,他的發現為天文學的研究建立了科學基礎并擴充了整個領域的研究范圍。他的第一本書,1971 年出版的《物理宇宙學》,鼓舞了整整一代物理學家在這個領域做出貢獻,這些貢獻不僅包含理論方面的工作也包含觀測和測量方面的工作。只有科學可以回答像我們從哪里來到哪里去的問題。宇宙學超出了人們關于信念和意義的概念。這與上世紀初阿爾伯特·愛因斯坦所說的,宇宙中最大的奧秘是它竟然可以被理解,不謀而合。

  從 100 年前開始,人們才知道宇宙是一直處于演化中的。在這之前,我們認為宇宙是一成不變的,但是在上世紀 20 年代,天文學家發現所有的星系之間的距離都在增大,它們也在離我們而去。宇宙正在膨脹。現在我們知道,今天的宇宙和昨天的不同,和明天的也不同。

  天文學家現在所觀察到的現象已經被愛因斯坦 1916 年發表的廣義相對論所預言,廣義相對論已經成為對宇宙中大尺度空間進行計算的基礎。當愛因斯坦發現廣義相對論會導致宇宙膨脹時,他認為需要引入了一個常數來消除這種膨脹而讓宇宙仍然處于靜止的狀態。十年之后,當宇宙膨脹被觀測到時,這個常數就沒有必要存在了。愛因斯坦將這件事當做他一生中最大的失誤。他不知道的是,這個常數會通過詹姆斯·皮布爾斯之手重返宇宙學并在這個領域產生重大影響。

  宇宙的第一縷「陽光」揭示了一切

  宇宙膨脹意味著它曾經更致密,更熱。在 20 世紀中葉,宇宙被認為誕生于一場“大爆炸”。沒有人知道早期的宇宙的情況,但是早期的宇宙被認為里面充滿了致密、熱和渾濁的“粒子湯”,那些輕的粒子,光子,在里面不斷反彈。

  經過近 40 萬年的膨脹,這種“粒子湯”冷卻到幾千攝氏度。原始粒子能夠相互結合,形成主要由氫和氦原子組成的透明氣體。這時,光子開始自由移動,光得以在空間中傳播。這些第一縷的“陽光”仍然充滿了整個宇宙。空間的膨脹拉伸了可見光的波長,因此它們最終成為了波長為幾毫米的不可見的微波。

  1964 年,美國兩位射電天文學家——1978 年諾貝爾獎獲得者亞諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特·威爾遜(Robert Wilson)——第一次捕捉到了宇宙誕生的微光。他們無法擺脫天線從太空各處拾取的恒定“噪聲”,因此他們在其他研究人員的研究中尋求解釋,其中就包括詹姆斯·皮布爾斯。詹姆斯·皮布爾斯對這種無處不在的背景輻射進行了理論計算。在將近 140 億年之后,宇宙溫度已下降到接近絕對零度(-273°C)。皮布爾斯的重大突破在于他意識到了輻射的溫度可以告訴我們大爆炸中產生了多少物質,并理解了光的紅移對于物質聚集成我們現在看到的星系和星系團起著決定性的作用。

  微波輻射的發現開啟了現代宇宙學的新紀元。來自宇宙嬰兒期的古老輻射已經變成了一個金礦,它包含了宇宙學家想要知道的幾乎所有答案。宇宙多大了?它的命運是什么?存在多少物質和能量?

  科學家們可以在這冷卻的余輝中找到宇宙誕生瞬間的痕跡,微小的變化以聲波的形式在早期的“粒子湯”中傳播。假如沒有這些微小的變化,宇宙就將從熾熱的火球冷卻到一片虛無。我們知道這并沒有發生,因為空間中充滿了星系,星系通常聚集在星系團中。微波背景輻射就像海洋表面一樣,是光滑的;但靠近的時候,卻可以看到大海的波濤,而微波背景輻射的漣漪揭示了早期宇宙的變化。

  詹姆斯·皮布爾斯一次又一次地解釋了這些來自宇宙早期的“化石”的遺跡。宇宙學家能夠以驚人的精確度預測背景輻射的變化,并展示它們如何影響宇宙中的物質和能量。

  第一個重大的突破發生在 1992 年 4 月,當時美國 COBE(Cosmic Background Explorer)衛星項目的主要研究人員展示了宇宙中第一束光線的圖像(2006年諾貝爾物理學獎授予了 John Mather 和 George Smoot)。其他衛星,例如美國 WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)航天器和歐洲 Planck 航天器,逐漸完善了這幅年輕宇宙的肖像。恰如所料,背景輻射本來均勻的溫度變化了十萬分之一度。隨著精度的提高,對宇宙中所含物質和能量的理論計算得到了證實,其中大多數(95%)對我們是不可見的。

  暗物質和暗能量——宇宙學最大的謎團

  自 20 世紀 30 年代以來,我們就已經知道我們所能看到的并不僅僅只有這里的一切。對星系旋轉速度的測量表明,它們必須由不可見物質的引力結合在一起,否則它們會四分五裂。人們還認為,遠在粒子湯放松對光子的控制之前,這種暗物質就在星系的起源中發揮了重要作用。

  暗物質的組成仍然是宇宙學最大的謎團之一。長期以來,科學家們一直認為,已知的中微子可以構成這種暗物質,但是幾乎以光速穿越空間的低質量中微子的數量多到難以想象,以至于無法將物質結合在一起。相反,在1982年,皮布爾斯提出冷暗物質的重粒子和慢粒子可以完成這項工作。我們仍在尋找這些能夠避免與已知物質相互作用,并且構成了26%的宇宙的未知的冷暗物質粒子。

  根據愛因斯坦的廣義相對論,空間的幾何形狀與引力相互關聯——宇宙包含的質量和能量越多,空間就變得越彎曲。在質量和能量的臨界值,宇宙不會彎曲。這種兩條平行線永遠不會相交的宇宙,通常被稱為是平坦的。另外兩種選擇其中一個是物質太少的宇宙,這將導致一個平行線最終會遠離的開放宇宙,或者一個物質太多的封閉宇宙,平行線最終將相交。

  宇宙背景輻射的測量,以及理論上的考慮,提供了一個清晰的答案——宇宙是平坦的。然而,它所包含的物質僅夠達到臨界值的 31%,其中 5% 是普通物質,26% 是暗物質。其中大部分也就是 69% 的物質不見了。吉姆·皮布爾斯再次提供了一個根本的解決方案。1984 年,他為愛因斯坦宇宙常數的恢復做出了貢獻,這就是空白空間的能量。這被命名為暗能量,它占據了宇宙的 69%。連同冷暗物質和普通物質,這足以支持平坦宇宙的想法。

  暗能量 14 年來一直只是一種理論,直到 1998 年宇宙加速膨脹被發現 (2011 年諾貝爾物理學獎授予索爾·珀爾馬特、布萊恩·施密特和亞當·里斯)。物質之外的東西在對日益迅速的膨脹起作用——一種未知的暗能量正在推動它。突然間,這個理論補丁變成了可以在天上觀察的現實。

  暗物質和暗能量現在都是宇宙學中最大的謎團之一。他們只通過對周圍環境的影響來讓自己被人們所知——比如一個拉,另一個推。否則,人們對它們知之甚少。宇宙黑暗的一面隱藏著什么秘密?未知背后隱藏著什么新物理學?在我們試圖解開太空之謎的過程中,我們還會發現什么?

  

  圍繞另一顆太陽的第一顆行星

  盡管我們只知道整個宇宙物質和能量的五分之一,絕大多數宇宙學家認為大爆炸模型是宇宙起源和發展的真實解釋。宇宙物質的很小的碎塊最終構造了我們所處的世界——恒星,行星,樹木,花朵和人類。人類是唯一孤獨凝視著宇宙的物種么?在圍繞另一個太陽的行星上,是否有生命存在?沒有人知道。但是我們現在知道了我們的太陽并不是唯一個有行星的恒星,在銀河系中的數千億顆恒星的絕大多數都有其伴隨的行星。天文學家現在已知有超過 4,000 顆系外行星。新奇的新世界已經被發現了,與我們自己的行星系統完全不同。第一個行星被發現時,其本身是如此奇特以至于沒人敢相信。這顆行星太大以至于極其靠近其環繞的宿主恒星。

  米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲于 1995 年 10 月 6 日在意大利佛羅倫薩舉行的一次天文學會議上宣布了這一激動人心的發現。這是第一顆被證明環繞類日型恒星運行的行星。這顆被命名為飛馬座51b(51 Pegasi b)的行星圍繞飛馬座51(51 Pegasi)恒星飛速移動,其距離地球 50 光年,公轉周期為 4 天(表示其距離恒星很近,只有 800 萬公里)。恒星將行星加熱,溫度超過1000℃。在地球上,由于地球距離太陽為1.5億公里,公轉軌道周期為1年,因此情況要好很多。

  新發現行星的體型大得令人驚訝——作為一個氣態球體,其可比擬太陽系中的最大氣態行星:木星(Jupiter)。木星的體積是地球的 1300 倍,質量是地球的 300 倍。根據早期有關行星形成的理論,木星體型大小的行星應該在遠離其恒星的位置產生,并且需要很長的公轉周期。木星環繞太陽的一個周期大約需要 12 年 ,所以天馬座 51b 的 4 天環繞短周期對尋找系外行星是個超級意外,這意味著之前他們找錯了方向。

  幾乎在這個發現之后,兩個美國天文學家保羅·巴特勒和杰弗里·馬西將他們的望遠鏡轉向了天馬座51b星系然后確認了麥耶和奎洛茲的發現。僅僅在兩個月之后,他們發現了兩個新的環繞類太陽型恒星的系外行星。行星短的環繞周期對于那些天文學家來說是非常便捷的,因為這意味著他們不需要等待幾個月甚至幾年來等行星環繞恒星一個周期。現在他們可以等行星圍繞恒星好幾圈。

  

  斯德哥爾摩十月的星空圖。在我們的太陽系外發現的第一個繞類太陽型恒星運行的行星是飛馬座。它繞著一顆名為飛馬座51的恒星運行,只有在天黑時才能用肉眼看到它。但是,形成飛馬正方形狀的四顆星星很容易識別。

  這些行星為什么距離恒星這么近?這個問題挑戰著現有的有關行星起源的理論,并引出了新的理論。新理論用來描述大的氣體球在太陽系邊緣被創造出來,然后向著其恒星旋進。

  完善方法,最終發現

  人們需要使用更為復雜的方案,才能追蹤一顆系外行星。所謂系外行星,是那些自己不會發光,只能靠反射來自其他星體的發出的光的行星。一般這些光芒都被來自宿主恒星的耀眼光芒掩蓋住了。

  研究組用來發現系外行星的方法被稱為徑向速度法(radial velocity method)。宿主恒星在行星重力的影響下會發生移動,該方法測量宿主恒星的移動來判定。由于行星環繞恒星轉動,恒星其實也在圍繞著他們的共同質心發生轉動。在位于地球上的觀測者看來,在視線方向上,這顆恒星看起來就像一會向后搖,一會向前搖。

  而恒星的這種移動速度,也就是徑向速度,可以通過廣為人知的多普勒效應來進行測量。多普勒效應說的是光線從一個移動物體上發出時,如果這個物體向著我們移動,光線會「變得更藍」(藍移);而如果這個物體遠離我們移動,光線會「變得更紅」(紅移)。這個效應其實和我們平時聽到的救護車向著我們開音調會變高,遠離我們開音調會變低是一樣的原理。

  行星的這個效應使得恒星的光線選擇性地變藍或者變紅。天文學家用實驗設備捕獲的正是光波長的這些變化。顏色上的變化可以通過恒星發出的光的波長精確測量,從而給出恒星在觀察者的視線方向,也就是徑向方向上的速度。

  這里面最大的挑戰來自于徑向速度特別得小。舉例來說,木星的引力使得我們的太陽繞著太陽系的質心以 12m/s 的速度運動。地球僅僅貢獻了 0.09m/s 。如果我們想要發現類地行星,這就對我們的儀器靈敏度提出了極高的要求。為了提高精確度,天文學家同時測量數以千計的波長。所有的光線利用光譜儀按照不同的波長區分開來,而這也正是這些測量的關鍵。

  

  恒星受行星引力的影響移從而發生移動,在地球上看來,恒星在視線方向上來回擺動。這個運動的速度及其徑向速度可以由多普勒效應確定,因為來自運動物體的光的顏色會發生變化。

  

  恒星的周期性移動,使得徑向速度發生周期性變化,從而出現周期性藍移和紅移。

  在 20 世紀 90 年代早期,迪迪埃·奎洛茲在日內瓦大學(the University of Geneva)開始他的研究生涯,米歇爾·麥耶已經花了很多年研究恒星的運動,在其他研究人員的幫助下搭起了自己的測量儀器。1977 年,麥耶已經能在位于法國馬賽東北 100 公里處的上普羅旺斯天文臺(Haute-Provence Observatory)的望遠鏡上安裝他比較早期的光譜儀。這個儀器測量恒星速度的下限在 300 m/s 左右,而這個速度仍然太大,以至于根本看不到有行星拖拽它的宿主恒星。

  與研究小組一起,博士生奎洛茲被要求開發新方法從而進行更精確的測量。他們利用了許多新技術,可以快速觀察大量恒星并同時分析其結果。光纖可以將來自恒星的星光傳送到光譜儀而不失真,更好的數字圖像傳感器(CCD)可以提高機器對光的靈敏度(2009 年高錕因為在光傳輸于纖維的光學通信領域突破性成就,威拉德·博伊爾和喬治·史密斯發明了 CCD 獲得 2009 年諾貝爾物理學獎)。功能更強大的計算機使得科學家能夠開發用于處理數字圖像和數據處理的定制軟件。

  當新的光譜儀于 1994 年春完工時,恒星運動的速度測量下限下降到 10 - 15 m/s,距離系外行星的發現已經非常接近了。在當時,搜尋系外行星并不是主流天文學的一部分,但是麥耶和奎洛茲已經準備好公布他們的發現。他們花了幾個月的時間完善他們的成果,最終在 1995 年 10 月,他們終于準備好,向全世界介紹搜尋得到的第一顆系外行星。

  更多的世界可被揭曉

  圍繞類太陽型恒星環繞的系外行星的首次發現開啟了天文學的一場革命。上千萬個未知的世界被呈現出來。現在不僅可以通過地球上的望遠鏡還可以通過衛星發現他們。美國空間望遠鏡 TESS(苔絲),現在可以掃描超過 20 萬顆離我們最近的行星,并搜尋類地球的行星。之前,開普勒望遠鏡帶來了許多豐碩的成果,其發現了超過 2300 個系外行星。

  隨著徑向速度的變化,現在尋找系外行星時使用凌日法(transit photometry)。這種方法主要是測量當一顆行星從恒星前方通過時,恒星光線強度的變化。凌日法還能使天文學家觀察到系外行星的大氣層,因為光會通過大氣層傳播。有時這兩種方法都會用。凌日法能求出系外行星的大小,它的質量能利用徑向速度法求解。一般對于系外行星,先求其密度,然后確定其結構。

  

  利用凌日法找到行星:當行星經過恒星和我們之間時,恒星的光強度會降低。地球上的望遠鏡可以觀察到這種影響。

  

  太陽只是我們銀河系中數億顆恒星中的一顆,應該還有一些行星圍繞這些恒星運行。到目前為止,天文學家已經在其他恒星周圍發現了超過了4000多個行星,并且正繼續在距我們較近的太空區域內尋找。

  迄今為止發現的系外行星以驚人的形式——大小和軌道——使我們感到驚訝。它們挑戰了我們先入為主的行星系統的觀念,并迫使研究人員修正了行星誕生的物理過程的理論。隨著眾多尋找系外行星的項目開展,我們最終可能找到這個永恒的問題——宇宙中是否還有其他生命——的答案。

  今年的獲獎者改變了我們對宇宙的看法。詹姆斯·皮布爾斯的理論發現有助于我們理解大爆炸之后宇宙的演變,米歇爾·邁耶和迪迪埃·奎洛茲在尋找未知行星的過程中探索了我們的宇宙。他們的發現永遠改變了我們對世界的觀念。

  更多內容

  關于今年獎項的更多信息,包括英語的科學背景,可在瑞典皇家科學院網站和www.nobelprize.org查閱,在那里你可以觀看新聞發布會、諾貝爾演講等視頻。有關諾貝爾獎和經濟科學獎的展覽和活動的信息可查閱www.nobelprizemuseum.se。

責任編輯:王超

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