只是發現了一顆星,憑什么得了諾貝爾獎?

    2019年的諾貝爾物理學獎于10月8日公布,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)

    頒獎詞說,授予他們諾獎,是為了表彰他們“發現了一顆圍繞類太陽恒星運行的系外行星”。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,憑什么這師徒二人能夠獲得諾獎青睞吧。

    1. 首先,他們研究的是什么?

    在頒獎詞里我們已經知道了,這二位研究的是圍繞類太陽恒星的系外行星。

    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》中就提出了他對于系外行星的預言。他認為天空中的恒星,應該都像我們的太陽一樣,它們的周圍也會環繞著行星,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,是其他恒星周圍類似太陽系一樣行星環繞的場景。

    所以說,類太陽恒星周圍的系外行星,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

    由于行星自身不發光,所以我們很難直接在其他恒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恒星圍繞著他們共同的質量中心在轉動,那么在地球上的望遠鏡,就有可能看到行星引力對于恒星的影響,行星讓恒星在天空中輕輕“搖擺”。在視線方向上,恒星受行星引力作用,時而遠離時而靠近我們,這種細微的搖擺反應在光譜上,就會造成恒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為視向速度法。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

    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恒星,期待發現潛在的系外行星對恒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,他們利用的是位于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

    這臺望遠鏡被涂成了紅色,這個中國人眼中的幸運色,也給瑞士人帶來了好運。

    3.他們找到了什么?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制出的視向速度曲線,顯示飛馬座51周圍存在一個質量至少有半個木星這么重的天體,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,公轉周期也要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,并尋求其他天文學家的幫助。

    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著同樣的工作。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,并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恒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、較小的周期。

    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“第一顆類太陽恒星周圍的系外行星”的頭銜。1995年11月, Mayor和當時還是他博士生的Queloz在《自然》雜志發表文章,正式宣布他們首次在類太陽恒星——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

    對于像飛馬座51b這種大質量短周期的系外行星,由于距離恒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在脈沖星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。

    脈沖星PSR 1257 12系外行星系統示意圖

    但是,脈沖星是高速自轉的中子星,中子星是一些大質量恒星死亡的產物,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。又因為脈沖星有強磁場,一直在高速轉動并不斷向外發出周期性強輻射。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恒星周圍找到行星,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為止也只有幾十顆,并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?為什么諾獎沒有他們的名字?

    前文我們提到,飛馬座51b能夠拿下“第一顆類太陽恒星周圍的系外行星”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。從那之后的數年內,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。他們開啟了未來30年系外行星探測的熱潮。

    在這一重要發現十年后的2005年,有著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恒星周圍系外行星的巨大貢獻。這在當時也就意味著,如果不出意外,兩人很可能會在若干年后拿下諾貝爾獎,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,被爆出了性騷擾丑聞而名聲掃地,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系……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,離恒星很近,不宜居,我也不能搬家去那兒,不是說諾獎都要頒給為人類作出重大貢獻的人嗎?所以他倆到底是為啥拿了諾獎呢?

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

    早已退休的Michel Mayor教授,依然還繼續著對系外行星的探索,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,也已經成為了劍橋大學的教授,并且活躍在系外行星前沿研究領域,領導著多個歐洲的地面和空間系外行星探測計劃。

    系外行星作為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恒星周圍普遍存在的,這從一到多的過程,對于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,無疑也為我們帶來了更多的憧憬。從簡單的測量行星周期質量半徑,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,毫不夸張地說,Mayor和Queloz的發現,開啟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。

    寫在最后:

    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為了激勵系外行星和外星生命探索,同時讓公眾更多了解這一領域的方式。

    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致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秘。

    本文由科普中國融合創作出品,序列號制作,中國科學院計算機網絡信息中心監制,“科普中國”是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌

本站是提供個人知識管理的網絡存儲空間,所有內容均由用戶發布,不代表本站觀點。如發現有害或侵權內容,可拔打24小時舉報電話4000070609 或 在線舉報
來自:沖霄3e8ixadnpn  > 時政
舉報
[薦]  原創獎勵計劃來了,萬元大獎等你拿!
猜你喜歡
類似文章
首顆系外行星的發現故事:利用恒星擺動探測技術分析數據|恒星|探測|行星
狂暴恒星和超級地球
終結地球孤獨時代 | 熾熱的木星和擺動的太陽
發現第一顆外星球的人
諾獎研究改變了我們對宇宙和生命的認知
科學家發現42光年外行星:或具宜居環境(圖)|行星|環境|赫特福德
更多類似文章 >>
生活服務
广西双彩24选7的走势图