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宇宙从何而来 人类又将“流浪”到何方
来源:扬子晚报 2019-10-09 08:06:01

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获奖科学家:

詹姆斯·皮布尔斯(美国,1935年出生)

获奖理由:

皮布尔斯对宇宙学的洞见丰富了整个领域的研究,他的理论框架自上世纪60年代中期发展起来,成为当代宇宙学的基础。利用皮布尔斯的理论可以推算出,宇宙中95%都是神秘的暗物质和暗能量。

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获奖科学家:

米歇尔·马约尔(瑞士,1942年出生)

迪迪埃·奎洛兹(瑞士,1966年出生)

获奖理由:

马约尔(右)和奎洛兹1995年宣布首次在太阳系外发现一颗行星,它围绕银河系飞马座中一颗类似太阳的恒星运转。这个发现引发了一场天文学革命,此后科学家在银河系中又发现了逾4000颗行星。

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解读宇宙诞生时留下的“密码”

大约140亿年前,宇宙在大爆炸之初是炙热而密实的。自那以后,宇宙开始不断扩张、变冷。大爆炸约40万年以后,宇宙开始变得“透明”,光线得以穿梭其中。就在这早期辐射中,记录着关于宇宙诞生和演化的秘密。

根据皮布尔斯的理论可以推算出,宇宙中95%都是神秘的暗物质和暗能量,而我们通常观测到的普通物质只占5%。

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马约尔和奎洛兹在太阳系外发现的行星“飞马座51b”。

2019诺贝尔物理学奖一半颁发给了美国普林斯顿大学的詹姆斯·皮布尔斯,表彰他在物理宇宙学领域作出诸多理论发现。中山大学物理与天文学院教授冯珑珑在接受扬子晚报记者采访时,给皮布尔斯的“诸多发现”划了个重点:皮布尔斯不仅解释了宇宙丰富多彩的结构的起源和演化,而且还是宇宙微波背景辐射的主要理论阐释者。

扬子晚报/紫牛新闻记者 杨甜子

他的研究让人类更好地认识宇宙

老式电视机的“雪花点”里

藏着宇宙微波背景辐射

他的研究给宇宙找到了“活跃密码”

“宇宙微波背景辐射”这个读起来都不算顺口的词,要追溯到宇宙大爆炸发生后的38万年。宇宙变得透明,光子得以在宇宙中自由穿行;这些光子一直遗留到了今天,红移到微波波段,被我们测量到,便是“宇宙微波背景辐射”。

微波背景辐射隐藏着早期宇宙和宇宙演化的许多秘密,它的实验发现来自一场“意外”。中山大学冯珑珑教授介绍,两位最初从事无线电工作的美国射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊,在一次调试无线电信号的过程中发现,有一种噪声无论用什么方法都消除不掉。彭齐亚斯和威尔逊甚至清除了微波电线上的鸽子粪,然而他们发现,这种噪声依然存在。而这正是宇宙热大爆炸理论的奠基人伽莫夫最早预言,并被普林斯顿大学的迪克、皮布尔斯等人在理论上验证并寻找的大爆炸遗迹。通过对实验结果的细致分析,他们最终确认,电气工程师意外发现的无法消除的噪声,正是“宇宙微波背景辐射”!这项研究也让彭齐亚斯和威尔逊在1965年获得了诺贝尔物理学奖。而皮布尔斯直到2019年,才因为在物理宇宙学领域作出诸多理论发现,摘得“迟到”的诺奖。

宇宙微波背景被认为是一个大爆炸宇宙模型的重要预言。“宇宙大爆炸模型有三个基石,宇宙膨胀、早期核合成,还有一个正是宇宙微波背景辐射。”冯珑珑教授告诉记者,这正是宇宙微波背景辐射研究的意义所在。

你家老电视的雪花点中也藏着这种信号

“宇宙微波背景辐射”这个远古遗迹离我们并不遥远,它充满整个宇宙,也时时刻刻围绕在我们身边。冯珑珑举例,曾经的老式电视机就是很好的“捕捉工具”。将老式电视机调到一个没有电视节目信号的频段,在满屏“刺啦刺啦”的雪花点中,每一百个就有一个是宇宙创生时期残留的信号。

冯珑珑表示,宇宙学在50年代是一门冷门学科,但在今天,科学家们结合理论研究,大型天文观测设备,超级计算机不断向我们解释宇宙深处的奥秘,但这也还是宇宙中的“冰山一角”,我们常说的“两暗一黑三起源“(两暗:暗物质和暗能量,一黑:黑洞, 三起源:宇宙起源、天体起源和生命起源)依然等待着新的探索。

自七十年代,中国天文学家就逐步进入宇宙学研究,成为这个蓬勃发展领域的参与者。冯珑珑介绍,我国曾提出基于LAMOST(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜的英文缩写)的巡天计划, 就是期望通过大型天文望远镜给太空中的恒星和星系进行“人口普查”,进而获得一个研究宇宙的巨大样本。LAMOST望远镜的设计和制造便是出自中国科学院南京天文光学仪器研究所。

2019诺贝尔物理学奖的另一半颁发给了一对师生,日内瓦大学的米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹。他们在1995年采用了一种新的方法来寻找与我们太阳系类似的行星系统,发现了第一颗围绕类日恒星运行的系外行星。南京大学天文与空间科学学院周济林教授告诉记者,在宇宙中“捕猎”行星可不是一件容易的事,科学家们对于“捕猎”未知行星的执着,充满着探索生命起源的渴望。

扬子晚报/紫牛新闻记者 杨甜子

他们开启探测系外行星的新篇章

 如果人类注定要“流浪”宇宙

我们该如何“捕猎”一颗行星

宇宙中“猎星”

堪比大海寻飞虫

宇宙浩瀚,在宇宙中寻找行星到底有多难?

中国科学院国家天文台星云人才计划研究员、科普作家李然列出了一组数据:1781年以前,人类知道的大行星数目是5。1920年,这个数字艰难地增加到了8。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。

李然表示,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。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。

“捕猎”行星全靠“蛛丝马迹”

宇宙里的“飞虫”该如何“捕捉”?南大周济林教授介绍,米歇尔·马约尔团队采用的观测方法,名为视向速度方法。行星质量很小,又暗,靠着望远镜观测显然找不到。但围绕在行星周围的恒星却是个“大灯泡”,比较容易观察。由于引力作用,恒星绕着行星运动,天文学家通过测量行星的引力作用对围绕在它周围运动恒星产生的影响,捕捉“蛛丝马迹”,可以间接推测出行星的存在。“但恒星运动的速度比人类跑步的速度还要慢,每秒钟大约从几十米乃至1米以下,因此对于观测仪器的敏感度要求很高。”

周济林解释,这种原理类似于多普勒效应,尽管后来有很多新的间接观测方式的出现,但这种方法目前仍然是成果最丰硕的发现和证认系外行星的方法。

能否找到地球的“孪生兄弟”搬过去?

周济林说,日内瓦大学的米歇尔·马约尔及迪迪埃·奎洛兹可以说是第一个“吃螃蟹的人”,他们发现了第一颗围绕主序星运行的太阳系外行星。这项在上普罗旺斯天文台完成的石破天惊的发现,开启了人类探测太阳系外行星的新篇章。

他们的研究也给我们带来了无限的联想:未来,我们是否真的能够在宇宙中找到地球的“孪生兄弟”,集体“搬家”?周济林表示,类似地球这样,能够绕着太阳运动,距离适中,并且适合包括人类在内的生命体居住的行星目前还没有被发现。但可以相信,类似地球的星球上,应该也存在了生命。之所以很难看到,主要是这些星球非常暗,尽管离我们可能只有几十光年,以我们现在的飞行器速度,基本是很难达到的,要到亚光速级别的飞船,也要上百年。

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