讓人類看到更廣闊的宇宙

茍利軍

在天文學界，皮布爾斯的名字如雷貫耳，可以說是宇宙學領(lǐng)域內(nèi)的先驅(qū)性人物。自從1970年以來，他被廣泛認為是世界領(lǐng)先的理論宇宙學家，在這期間，他主要對原始核合成、暗物質(zhì)、宇宙微波背景和結(jié)構(gòu)形成等領(lǐng)域作出了理論貢獻。也正是他的很多貢獻，才使宇宙學進入了真正的精確宇宙學時代。今年84歲的皮布爾斯，他的獲獎可稱得上實至名歸。

現(xiàn)代宇宙學揭示了宇宙的歷史，以及宇宙中令人意想不到的物質(zhì)和能量組成部分。與此同時，人們發(fā)現(xiàn)太陽遠不是銀河系中唯一具有行星的恒星。新的發(fā)現(xiàn)顯示，行星系統(tǒng)具有廣泛的多樣性。在過去的幾十年里，人們不僅對宇宙的理解發(fā)生了深刻的變化，而且對地球在宇宙中所處的地位看法也發(fā)生了巨大的改變。今年的諾貝爾物理學獎關(guān)注的正是這些突破性的發(fā)現(xiàn)。

如此令人興奮的發(fā)展之所以成為可能，要感謝過去半個世紀以來，物理學家們在宇宙學理論框架中的突破性發(fā)現(xiàn)。今年的諾貝爾獎得主皮布爾斯在這個領(lǐng)域作出了開創(chuàng)性的貢獻。他通過詳細的建模，并利用分析和數(shù)值方法，對宇宙的基本屬性進行了探索，發(fā)現(xiàn)了意想不到的新物理學?，F(xiàn)在，科學家有了一個統(tǒng)一的模型，能夠描述宇宙從最初的幾分之一秒到現(xiàn)在以及遙遠未來的狀態(tài)變化，對宇宙做出一個精確的描述。

曾幾何時，宇宙學是一門充斥著沒有堅實依據(jù)的猜想，數(shù)據(jù)也少得可憐。但今天，宇宙學已經(jīng)成長為一門精確的數(shù)學科學，越發(fā)精確的觀測數(shù)據(jù)正發(fā)揮關(guān)鍵性作用。發(fā)現(xiàn)的時代并未終結(jié)。隨著測量精度越來越高，我們將有可能發(fā)現(xiàn)全新的，此前未能預(yù)料到的現(xiàn)象。物理宇宙學將為我們帶來更多驚喜，而皮布爾斯正是那個將我們引向新發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)路人。

自從天文學家?guī)椭藗冋J識到宇宙極其廣袤之后，一個很自然的問題就出現(xiàn)了：宇宙其他地方還有生命存在嗎？

宇宙這么大，除了地球，還有其他的星球適合于生命的存在嗎？2014年年底的《星際穿越》電影和2019年年初上映的科幻大片《流浪地球》都講述的是地球面臨災(zāi)難，尋找新家園的故事?；蛟S在接下來的一兩百年，我們的地球會安然無事，然而，上萬年或者更久一點時間之后，地球的環(huán)境變化就可能不太適合生物的居住。過世的物理學家霍金就曾預(yù)測，如果人類不保護環(huán)境，節(jié)省能源，我們將不得不離開這個生我們養(yǎng)我們的藍色星球。所以尋找適宜的系外行星就是天文學家的一個目標，也是在幫助未來的人類做著未雨綢繆的事情。

尋找地外行星的工作從20世紀80年代開始發(fā)展，在20世紀90年代時，取得了突破。此次獲獎的有兩位瑞士天文學家，還是一對師生。他們?yōu)閷ふ姨栂抵獾男行亲龀隽碎_創(chuàng)性的工作，在1995年的時候，他們提出了一種叫作視向速度法的方法，在飛馬座51恒星周圍發(fā)現(xiàn)了一顆軌道周期為4.2天的行星，這就是我們現(xiàn)在熟知的飛馬座51b命名方式，是結(jié)合了發(fā)現(xiàn)時間和距離遠近兩種方式，先時間后距離，同時發(fā)現(xiàn)按照從內(nèi)至外，字母順序從b開始。1995年的這一發(fā)現(xiàn)標志著一片全新的天體物理學領(lǐng)域就此開啟，即對系外行星與行星形成過程的研究。

這次探測，真正開啟了人類探測系外行星的時代。到目前為止，在開普勒衛(wèi)星的幫助之下，科學家們已經(jīng)確認了將近4000顆系外行星，而還有4000多顆等待確認，讓人類意識到很多的系外行星系統(tǒng)和太陽系差別很大，更多的行星比地球要大一些，超級地球就是在那樣的情形之下提出來的。

說到第一顆系外行星，還需要說明的一點是，通常我們會說人類發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星是1995年找到的飛馬座51b。但其實，如果不看中心天體的類型的話，第一顆系外行星應(yīng)該是在中子星周圍發(fā)現(xiàn)的。

那是1992年，波蘭天文學家、美國賓夕法尼亞州立大學教授亞歷山大·沃爾茲森和當時正在美國國立射電天文臺做博士后的戴爾·費雷歐宣布發(fā)現(xiàn)了圍繞毫秒脈沖星PSR1257+12旋轉(zhuǎn)的兩顆行星。

這一系統(tǒng)到1994年時被沃爾茲森確認。然而，一方面，在中子星周圍發(fā)現(xiàn)的系外行星的數(shù)量非常有限，另一方面，中子星周圍環(huán)境極其特殊和極端，和地球的環(huán)境相差太大，對于我們了解地外生命并沒有太大的幫助。不僅如此，當時探測所使用的方法“脈沖計時法”，也存在很大的局限性。

因此，人們往往會把“人類發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星”這一桂冠戴到飛馬座51b的頭上。但準確地說，飛馬座51b是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞類太陽恒星運行的系外行星。

在此后的一段時間內(nèi)，系外行星的發(fā)現(xiàn)速度比較緩慢，帶來這個領(lǐng)域再一次巨大飛躍的利器大約在10多年之后出現(xiàn)了，這就是被稱為“行星獵手”的開普勒衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星在2009年發(fā)射升空，一直運行到2018年11月。很快它就發(fā)現(xiàn)了大批的系外行星。如今，大約有將近4000顆系外行星得到了確認，而其中，多一半就是由開普勒衛(wèi)星一個設(shè)備所發(fā)現(xiàn)的。除過去這些確認的行星之外，還有四千多顆開普勒行星等待確認。正是由于開普勒衛(wèi)星給行星探測領(lǐng)域所帶來的巨大變化使這個項目的負責人威廉·伯魯奇獲得了2015年的邵逸夫獎。

就在開普勒衛(wèi)星退役之前，2018年的4月，NASA發(fā)射了由另外一個系外行星尋找的衛(wèi)星，那就是凌日系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）發(fā)射升空。它計劃運行兩年，將對85%的天空開展勘測，它比開普勒衛(wèi)星的探測區(qū)域大400倍。TESS衛(wèi)星將著重尋找圍繞太陽系附近恒星運行的行星，而這些行星的特征將借由地面觀測手段予以確定。到目前為止，它也尋找到了一批系外行星。

除探測系外行星之外，天文學家也開展了一些更為深入的研究。在2001年，天文學家觀察到了證明大氣存在的首個“印記”：589.3納米的鈉共振雙線。而之后，天文學家又相繼觀察到了以氣體形式存在的二氧化碳和水等分子?？茖W家觀測到的大氣層主要存在于氣態(tài)巨行星之上，就在不久之前，研究人員在體積更小的非氣態(tài)行星上成功探測到了水的存在。

近年來，隨著天文學家觀測到的一些位于宜居帶中、表面能夠支持液態(tài)水存在的類地行星，自然有人提出疑問：這些行星上是否有生命存在？雖然目前尚未在系外行星上探測到生命，但未來的系外行星特征探測衛(wèi)星（CHEOPS）、詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）、行星凌日和恒星振動任務(wù)（PLATO）以及極大望遠鏡（ELT）等地面任務(wù)都將配備先進儀器，在類地行星大氣中尋找生命存在的跡象，如氧氣和甲烷等。

總而言之，此次獲獎，皮布爾斯作為一個理論天文物理學家，幫助我們更加深入地了解了宇宙的演化歷程，而馬約爾和奎洛茲作為天文學家，通過觀測的方式幫助我們打開了一個更廣闊的系外行星的世界，讓我們在太陽系之外看到我們地球的影子。感謝他們，推進了人類所能認知的疆域，讓我們看到更廣闊的宇宙?。ㄗ髡邽橹袊茖W院國家天文臺研究員、恒星級黑洞研究團組首席科學家）