国家天文台研究员详解诺贝尔物理学奖：人类有可靠办法搜索系外行星

源济

国家天文台研究员详解诺贝尔物理学奖：人类有可靠办法搜索系外行星

狐狸先生 知乎日报 2019-10-08

 

2019 年诺贝尔物理学奖颁发给了天体物理学领域：James Peebles 因为宇宙学方面的理论获奖，Michel Mayor 和 Didier Queloz 因为系外行星的发现获奖：

   

2019 年诺贝尔物理学奖授予宇宙学理论和系外行星，对人类认识宇宙有什么意义？

知友：狐狸先生（700+ 赞同，中国科学院国家天文台星云计划研究员，天文学、天体物理学、物理学等 5 个话题的优秀回答者，收录于知乎圆桌）

  

关于地外行星：

1781 年以前，人类知道的大行星数目是 6，1920 年，这个数字艰难地增加到了 9，这里面有一个还在后来被投票排除掉了，但到了 2016 年 11 月，人类已经发现的行星数目增加到了 3414，而且在急速地增长中。

新增加的行星来自太阳系外。寻找到这些行星绝非易事。

我们可以考虑一下太阳系的情况。地球的直径只有太阳的百分之一，表面积是太阳的万分之一。

我们还记得「旅行者号」在飞出太阳系之前，曾经回眸对地球做过一个自拍。在照片里，地球是一个非常暗淡的蓝点，湮灭在太阳的光芒中，如果没有人特别提示，观察者几乎辨认不出。

「旅行者号」当时距离太阳还远远不到 1 光年，而距离太阳最近的比邻星就在 4 光年以外，更不用说其他恒星了。

不夸张地比喻，寻找其他恒星周围的「地球」，就好像在大海中航行的水手试图观察遥远的灯塔的光辉下的一只飞虫那么困难。

20 世纪末，天文学家终于在太阳以外的恒星周围发现了第一批行星。1995 年发现的飞马座 51b 是第一颗这样的行星，发现者是日内瓦大学的 Michel Mayor 米歇尔·梅尔（和Didier Queloz（迪迪尔·奎洛兹）。

这个发现意味着天文学家终于有了可靠的方法去搜索太阳系外的行星。这个方法被称作「视向速度法」。

 

这个方法利用到光的多普勒移动效应，如果光源相对观测者移动，观测者就会看到光线的频率发生变化。

当一颗恒星向观测者运动的时候，观测者会看到恒星变得蓝一些，当它远离观测者的时候，恒星会稍稍地变蓝红，如果一颗恒星和一颗行星组成一个双星系统，它们都会绕着共同质量中心运动。

换句话说，行星会造成主星的速度波动，这种速度波动会产生可以观测的多普勒频移现象。

地球上的观测者一般是看不见暗淡的行星的，但却可以看到恒星的颜色发生周期性的微小变化，从而确定行星的存在。

通过视向速度方法，观测者还可以估计行星的质量。行星的质量越大，恒星的多普勒频移就越明显。

最早发现的几颗太阳系外行星都可以造成比较明显的多普勒频移现象。

例如，飞马座 51b 可以造成它的主星产生一个 50m/s 的速度波动，这比木星对太阳的影响大得多。这是因为它距离主星非常近，只有日地距离的 1/20。

由于距离主星非常近，飞马座 51b 的表面温度可能达到 1000 摄氏度以上。相比比较寒冷的木星，行星学家们称这些靠近主星的大个子为热木星。

热木星的存在绝非个例，今天发现的太阳系外行星列表中，大约有 1/3 的行星都可以被归类为热木星。虽然这样高的比例和它们容易被观测有关，但也说明热木星确实是在行星系统中广泛存在的。至于它们的成因，则是另外一个至今火热的话题。

关于宇宙：

James Peebles 早在 40 年前就和诺贝尔奖擦肩而过。他是宇宙微波背景辐射的主要理论阐释者。

今天的宇宙学理论认为，宇宙起源于一次沛莫能当的大爆炸。但我们能确认这件事情吗？在上世纪 40 年代末到 50 年初代，伽莫夫和他的学生发表了一系列文章，深入探讨论如何寻找大爆炸在宇宙中留下的证据。

假设我们在今晚看到夜空中有一颗距离我们 10 光年的恒星死亡，爆发为超新星。我们需要提醒自己，这颗恒星实际上在 10 年前就已经死亡，只是它死亡时发出的光线今天正好传播到地球。

换句话说，当我们观察越远处的天体时，看到的是它越古老时期的样子。我们能够观察到的宇宙的最远的地方，那里的光线应该从宇宙诞生之初就径直向我们传播而来，今天刚好到达地球。

在地球上，我们向任何一个方向看去，都应该能够看到某个地方在宇宙诞生之初发出的光。

但宇宙诞生之初的光，并不是从产生开始就沿直线运动的。

在宇宙早期，宇宙中的电子的动能还很高，不能和原子核结合。所以光子无法直线传播的很远，总是刚向前传播一点距离就和一个自由电子碰撞，然后改变了传播方向。光子就好像被电子的囚笼困住了，只能在一个很小的区域内打转。

这种情形一直持续到宇宙诞生后 37 万年，这时候宇宙温度终于降到了原子形成的温度。所有的电子一下子被原子核俘获了，这个过程被称作「电子复合」。

电子复合使得宇宙空间一下变得空旷了不少。所都光子在这个时刻结束了最后一次和电子的碰撞，之后它们几乎再也不会碰到另一个电子，可以完全自由的在宇宙中直线穿行。

在地球上的观测者在任何方向都可以看到这些光子，我们可以把它们称为「宇宙背景光子」。它们携带着宇宙在「电子和光子最后碰撞时刻」的信息。

宇宙背景光子有一个非常重要的特点，就是它在任何一个方向上的频率分布一定满足黑体辐射的特征。

所谓黑体是指处于完美热平衡的物体。地球上自然界中是不存在这种完美热平衡的物体的。但宇宙诞生之初由于光子和其他粒子的碰撞非常的频繁，应该是处于非常完美的热平衡状态的。

伽莫夫计算了宇宙在「最后碰撞时刻」的温度，这样他就可以知道宇宙背景光子的能量。

我们知道宇宙膨胀会使得光子损失能量。当光在膨胀的宇宙中传播，它会经历红移，也就是波长变得更长，频率变低。

伽莫夫计算出宇宙背景光子传播到今天的能量大约相当于 10 开尔文左右的黑体发出的辐射。伽莫夫和他的学生在计算出这一结果后有点失望，因为这个温度太低了，他们觉得很难观测到。

宇宙学在五十年代是一门冷学问，没有太多一流的科学家跟进。在此后的 10 多年里，伽莫夫的计算结果居然渐渐被人遗忘了。

时间悄然来到了 1967 年，普林斯顿大学的迪克, 威尔金森，和皮布斯独立的计算了宇宙背景光子的性质。

和伽莫夫不同，迪克是一个对实验非常精通的科学家，他在四十年代发明了探测微波辐射的微波探测器，后来这种探测器常被称作「迪克探测器」。

他当即意识到这样的背景辐射完全可以用他自己发明的探测器来研究。三位科学家立刻开始着手准备实验。

然而，在这时他们突然接到了一个电话，给他们带来了个晴天霹雳。电话来自贝尔实验室的两位工程师彭齐亚兹(Penzias)和威尔逊(Wilson)，他们已经制作了一个迪克探测器，用来接收宇宙中的电磁波。

在过去的数月中，两位工程师一直致力于调试这个天线，去除各种仪器噪声。但他们发现无论如何调试，接收器中总能接收到一个同样的信号。无论他们将天线指向天空的什么地方，这个信号都不会消失，而且相同。

一般情况下，这说明这个信号很可能并不是来自望远镜外的，而是仪器本身存在问题。但两位工程师确实已经用尽了可能的方法去校准仪器，他们甚至端着猎枪清除了天线里的鸟窝。最后，他们不得不向探测器的发明者求助。

当了解到这个信号的强度后，皮布斯等人立刻意识到这就是他们想要去探测的信号，来自宇宙之初的背景辐射。

两组人马协商之后分工撰写了宇宙学史著名的两篇论文。彭齐亚兹和威尔森在一篇文章中描述了这个信号的存在，但没有提出任何解释。

而迪克，皮布斯等人则在同一期杂志上发布了一篇优美的理论文章，详尽的解释了这个发现的重要意义。

彭齐亚兹(Penzias)和威尔逊(Wilson)在 1976 年获得了诺贝尔奖，皮布斯因为实验晚了一步，和诺奖擦肩而过。

但在随后的时代里，皮布斯花大量时间探索了宇宙如何从微波背景的时代演化到今天。

宇宙最初处处均匀，只有微小的密度涨落，今天的结构是如何从宇宙的最初条件演化而来。

皮布思的工作涉及了这个问题几乎所有的方面。他的著作《宇宙大尺度结构》是一代科学家理解宇宙演化的教科书。他也是冷暗物质理论最初的几个提出者这一。

在过去的 40 年里，人们一直认为 Peebles 值得获得一个诺贝尔奖。但可能和索墨菲类似，他的任何一个单独的成就似乎都无法干脆利落的满足诺奖标准。但最终，诺贝尔奖还是眷顾了这位实至名归的科学家。