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只是發現了一顆星,憑什麼得了諾貝爾獎?

http://finance.sina.com   2019年10月08日 18:29   

  來源:科學大院

  2019年的諾貝爾物理學獎於10月8日公佈,有一半的獎金歸屬了一對師徒——瑞士的天文學家Michel Mayor和Didier Queloz。

從左往右,第二位和第三位就是這對幸運的師徒啦(圖片來源:https://www.nobelprize.org)從左往右,第二位和第三位就是這對幸運的師徒啦(圖片來源:https://www.nobelprize.org)

  頒獎詞說,授予他們諾獎,是爲了表彰他們“發現了一顆圍繞類太陽恆星運行的系外行星”。只看這句話,我想很多人可能會有疑惑,發現一顆系外行星也能拿諾獎?別想糊弄我,我可是清清楚楚記得,光NASA的Kepler望遠鏡就找到了幾千顆啊!非也非也,能拿諾獎,當然憑的是真本事,就讓我們一起看一下,憑什麼這師徒二人能夠獲得諾獎青睞吧。

  1、首先,他們研究的是什麼?

  在頒獎詞裏我們已經知道了,這二位研究的是圍繞類太陽恆星的系外行星。

  我們在宇宙中是否唯一,是人類從仰望星空開始就在不斷追問的問題,在太陽系之外的宇宙中,是否還有其他行星存在,也是一些歷史偉人們經常思考的問題。

  早在16世紀,布魯諾在《論無限的宇宙和世界》中就提出了他對於系外行星的預言。他認爲天空中的恆星,應該都像我們的太陽一樣,它們的周圍也會環繞着行星,而這些行星也可以孕育自己的生命。18世紀時,牛頓在他的曠世名作《自然哲學的數學原理》一書中提到了同樣的可能性。通過與太陽周圍行星類比,牛頓的腦海中浮現出的,是其他恆星周圍類似太陽系一樣行星環繞的場景。

  所以說,類太陽恆星周圍的系外行星,就是如上面兩位偉人所想的那樣,在夜空中像太陽一樣的其他亮星周圍,也有行星在繞轉,組成其他的“太陽系”。

  2、他們如何找系外行星?巧妙的方法,幸運的顏色

  由於行星自身不發光,所以我們很難直接在其他恆星周圍找到可能存在的系外行星,這時候牛頓的萬有引力定律又可以來幫忙了。行星自身的質量使得行星和恆星圍繞着他們共同的質量中心在轉動,那麼在地球上的望遠鏡,就有可能看到行星引力對於恆星的影響,行星讓恆星在天空中輕輕“搖擺”。在視線方向上,恆星受行星引力作用,時而遠離時而靠近我們,這種細微的搖擺反應在光譜上,就會造成恆星光譜整體不斷的紅移和藍移。我們稱這種探測系外行星的方法爲視向速度法。通過這一方法可以估算系外行星的質量這一重要參數。

視向速度法示意圖視向速度法示意圖

  當時國際上的幾個小組就是通過這種方法,長期監測天上的一批恆星,期待發現潛在的系外行星對恆星光譜造成的速度變化,從而奪取這個領域的第一。這其中就包括Mayor和Queloz師徒,他們利用的是位於法國上普羅旺斯天文臺的一臺2米的望遠鏡和它所攜帶的當時最先進的光譜分析設備。

 Mayer(右)和Queloz(左)在發現飛馬座51b的望遠鏡前 Mayer(右)和Queloz(左)在發現飛馬座51b的望遠鏡前

  這臺望遠鏡被塗成了紅色,這個中國人眼中的幸運色,也給瑞士人帶來了好運。

  3、他們找到了什麼?一顆不可思議的系外行星!

  功夫不負有心人,師徒二人長期監測繪製出的視向速度曲線,顯示飛馬座51周圍存在一個質量至少有半個木星這麼重的天體,每4天繞轉一圈。

  但這一發現卻令師徒二人困惑不已。

  要知道,太陽系中距離太陽最近的水星,公轉週期也要88天。這個天體質量巨大卻離它的太陽如此之近。他們在一個佛羅倫薩的學術會議上介紹了這個令人不可思議的發現,並尋求其他天文學家的幫助。

Marcy(右)和Butler(左)在Lick望遠鏡前Marcy(右)和Butler(左)在Lick望遠鏡前

  與此同時,美國的天文學家Geoffrey Marcy和Paul Butler,也在利用加州大學的望遠鏡做着同樣的工作。當得知瑞士同行的發現時,他們也把自己的望遠鏡對準了飛馬座51,並且得到了相似的視向速度變化曲線。此外,他們還對自己之前觀測的其他恆星數據進行再次分析,又找到了一些類似的信號——巨大的質量、較小的週期。

  美國人獨立觀測的數據,從側面證實了瑞士人的發現,才最終促成了飛馬座51b這“第一顆類太陽恆星周圍的系外行星”的頭銜。1995年11月, Mayor和當時還是他博士生的Queloz在《自然》雜誌發表文章,正式宣佈他們首次在類太陽恆星——飛馬座51周圍,發現了系外行星——飛馬座51b。

飛馬座51b基本信息飛馬座51b基本信息

  對於像飛馬座51b這種大質量短週期的系外行星,由於距離恆星很近所以表面溫度極高,天文學家也給了它們一個形象的名字——熱木星。

  4、聽說第一顆系外行星不是他倆發現的?憑啥還能拿諾獎?

  的確,天文學家一直在不斷尋找太陽系之外的行星。

  1992年,射電天文學家Aleksander Wolszczan 和Dale Frail在脈衝星PSR 1257+12周圍發現的兩顆系外行星,才是人類首次發現的太陽系外行星。

脈衝星PSR 1257+12系外行星系統示意圖脈衝星PSR 1257+12系外行星系統示意圖

  但是,脈衝星是高速自轉的中子星,中子星是一些大質量恆星死亡的產物,它的密度大到在一個指甲蓋大小的體積內,就集中了數噸的重量。又因爲脈衝星有強磁場,一直在高速轉動並不斷向外發出週期性強輻射。這樣嚴酷的環境,周圍存在的系外行星肯定跟我們的地球相去甚遠。

  考慮到我們尋找系外行星的目的,還是希望能發現宇宙中其他的生命,因此,雖然這兩顆系外行星創造了人類第一次,但顯然科學家還是更希望在跟太陽類似的恆星周圍找到行星,而不是在一個死亡的大怪物旁邊。

  此外,發現這兩顆行星所使用的方法是精確的計時方法,這一方法發現的系外行星到目前爲止也只有幾十顆,並不是尋找系外行星的主流方法。所以Wolszczan和Frail也就遺憾的與諾獎失之交臂了。

  5、美國天文學家的工作就晚了幾天,不重要嗎?爲什麼諾獎沒有他們的名字?

  前文我們提到,飛馬座51b能夠拿下“第一顆類太陽恆星周圍的系外行星”的頭銜,絕對離不開美國天文學家Geoffrey Marcy和Paul Butler的工作。

  實際上,Marcy他們的工作確實重要。從那之後的數年內,瑞士和美國這兩個小組領導的團隊,幾乎包攬了最初發現的幾百顆系外行星,其中美國人的發現還要更多一些。他們開啓了未來30年系外行星探測的熱潮。

  在這一重要發現十年後的2005年,有着東方諾貝爾獎之稱的邵逸夫獎,也將天文獎頒給了Geoffrey Marcy和Michel Mayor,以表彰他們發現第一顆類太陽恆星周圍系外行星的巨大貢獻。這在當時也就意味着,如果不出意外,兩人很可能會在若干年後拿下諾貝爾獎,當時大家普遍推測未來美國人和瑞士人會平分諾貝爾獎。

  可是意外還是到來了,十年一個輪回,2015年,學術上無比出色的Geoffrey Marcy,被爆出了性騷擾醜聞而名聲掃地,更是被所在的加州大學伯克利分校開除。不知道這跟他最早使用的望遠鏡被刷成黃色是否有關係……但顯然諾貝爾獎已經不可能再有他的名字。

  6、說來說去,發現這顆系外行星的意義究竟在哪?

  有人可能會說了,就發現一顆系外行星,你也說了,這顆星外號熱木星,離恆星很近,不宜居,我也不能搬家去那兒,不是說諾獎都要頒給爲人類作出重大貢獻的人嗎?所以他倆到底是爲啥拿了諾獎呢?

  一句話:1995年飛馬座51b的發現,改變了人類對於行星形成認知,也開啓了系外行星研究的新時代。

  早已退休的Michel Mayor教授,依然還繼續着對系外行星的探索,他所領導的著名系外行星搜尋項目HARPS計劃,是目前世界上精度最高的視向速度探測器。

  他當年的學生Didier Queloz,也已經成爲了劍橋大學的教授,並且活躍在系外行星前沿研究領域,領導着多個歐洲的地面和空間系外行星探測計劃。

  系外行星作爲天體物理學領域的年輕分支,在近三十年來得到了蓬勃的發展。探測方法不斷革新,研究手段有了更長足的進步,研究內容也從最初的尋找行星確定基本性質,到現在已經可以深入研究行星大氣。

從圖中可以清楚看到,近二十年系外行星發現的數量急速上升從圖中可以清楚看到,近二十年系外行星發現的數量急速上升

  從1995年的第一顆,到現在的4000多顆,我們不僅僅知道了系外行星的存在,還知道了系外行星是在恆星周圍普遍存在的,這從一到多的過程,對於人類的認識無疑是革命性的。

  從熱木星,到超級地球再到類地行星,我們已經不僅僅可以發現大個頭的系外行星,還發現了更多與我們地球質量大小類似的行星。更多地球兄弟姐妹的發現,無疑也爲我們帶來了更多的憧憬。從簡單的測量行星週期質量半徑,到現在可以探測到行星大氣上可能存在的水分子和氧分子,我們的觸手在一點點向系外生命靠近。

  因此,毫不誇張地說,Mayor和Queloz的發現,開啓了系外行星研究的新時代,使得系外行星成了當今天文學中最活躍的研究領域之一。

  寫在最後:

  但是系外行星領域畢竟還很年輕,還沒有出現類似找到另一個有生命星球這樣重磅的發現。他們的得獎多少有些突然,讓很多天文學家都沒有心理準備,在我的心中,諾獎他們是遲早能獲得的,只不過來的比預想中早了一些。所以我想,可能這也是諾獎評委會爲了激勵系外行星和外星生命探索,同時讓公衆更多瞭解這一領域的方式。

  比所在研究領域的前輩獲獎更令人開心的是,未來大型的空間地面望遠鏡,將用更先進的設備進一步深入細緻地研究我們近鄰的系外行星,期待人類能夠有一天揭開它們上面生命存在的奧祕。

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