2019诺奖官方解读来自地球上的对星辰和宇宙的新视角

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-10-09 作者:责任编辑NO。石雅莉0321

来自地球上的,对星斗和国际的新视角

2019 年诺贝尔物理学奖颁发了:对国际结构以及前史的新了解,和初次发现一颗盘绕类日恒星作业的系外行星两项作业。本年度的诺贝尔奖得主对答复咱们怎么存在的这个问题做出了奉献。国际前期发作了什么?它即将发作什么?咱们的太阳系外会有其他的行星吗?他们在盘绕其他的太阳作业吗?

詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)研讨的国际包括数以亿计的星系和星系团。他在 20 世纪 60 时代中期提出了自己的理论结构,并在之后二十年对它进行了展开。这个理论结构是了解国际从大爆炸到此时之间的前史的柱石。皮布尔斯的发现让咱们对所在的国际环境有了深入的知道。咱们的国际中,可见物质仅仅占了全部物质和能量的 5%,而剩余 95% 的物质一向处于躲藏状况。这是现代物理学中的一个未解的谜题和应战。

米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)探究了咱们的银河系,以期找到一些之前不为人知的国际。1995年,他们观测到了榜首个太阳系外的行星正在盘绕一个类日恒星运动。这个发现和咱们之前关于这些国际的知道不同并推进了天文学的展开。现已发现的超越 4000 颗系外行星以各种形状存在,它们与咱们的太阳和行星简直彻底不同。这些发现促进科学家去树立描绘行星发作的新理论。

一声巨响,国际学就这么开端了

曩昔 50 年是国际学展开的黄金时期,尤其是关于国际来源和演化的相关研讨。上世纪 60 时代,人们对国际学的研讨开端从经验主义改变到科学剖析的根底之上。引领这一改变的要害人物正是詹姆斯.皮布尔斯,他的发现为天文学的研讨树立了科学根底并扩大了整个范畴的研讨规模。他的榜首本书,1971 年出书的《物理国际学》,鼓动了整整一代物理学家在这个范畴做出奉献,这些奉献不只包括理论方面的作业也包括观测和丈量方面的作业。只要科学能够答复像咱们从哪里来到哪里去的问题。国际学超出了人们关于信仰和含义的概念。这与上世纪初阿尔伯特·爱因斯坦所说的,国际中最大的奥妙是它居然能够被了解,不约而同。

从 100 年前开端,人们才知道国际是一向处于演化中的。在这之前,咱们以为国际是原封不动的,可是在上世纪 20 时代,天文学家发现全部的星系之间的间隔都在增大,它们也在离咱们而去。国际正在胀大。现在咱们知道,今日的国际和昨日的不同,和明日的也不同。

天文学家现在所调查到的现象现已被爱因斯坦 1916 年宣告的广义相对论所预言,广义相对论现已成为对国际中大尺度空间进行核算的根底。当爱因斯坦发现广义相对论会导致国际胀大时,他以为需求引入了一个常数来消除这种胀大而让国际依然处于停止的状况。十年之后,当国际胀大被观测届时,这个常数就没有必要存在了。爱因斯坦将这件事作为他一生中最大的失误。他不知道的是,这个常数会通过詹姆斯·皮布尔斯之手重返国际学并在这个范畴发作严重影响。

国际的榜首缕「阳光」提醒了全部

国际胀大意味着它从前更细密,更热。在 20 世纪中叶,国际被以为诞生于一场“大爆炸”。没有人知道前期的国际的状况,可是前期的国际被以为里边充满了细密、热和污浊的“粒子汤”,那些轻的粒子,光子,在里边不断反弹。

通过近 40 万年的胀大,这种“粒子汤”冷却到几千摄氏度。原始粒子能够彼此结合,构成首要由氢和氦原子组成的通明气体。这时,光子开端自在移动,光得以在空间中传达。这些榜首缕的“阳光”依然充满了整个国际。空间的胀大拉伸了可见光的波长,因而它们终究成为了波长为几毫米的不行见的微波。

1964 年,美国两位射电天文学家——1978 年诺贝尔奖取得者亚诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)——榜初次捕捉到了国际诞生的微光。他们无法脱节天线从太空遍地拾取的稳定“噪声”,因而他们在其他研讨人员的研讨中寻求解说,其间就包括詹姆斯·皮布尔斯。詹姆斯·皮布尔斯对这种无处不在的布景辐射进行了理论核算。在将近 140 亿年之后,国际温度已下降到挨近绝对零度(-273°C)。皮布尔斯的严重打破在于他认识到了辐射的温度能够告知咱们大爆炸中发作了多少物质,并了解了光的红移关于物质集合成咱们现在看到的星系和星系团起着决定性的效果。

微波辐射的发现敞开了现代国际学的新纪元。来自国际婴儿期的陈旧辐射现已变成了一个金矿,它包括了国际学家想要知道的简直全部答案。国际多大了?它的命运是什么?存在多少物质和能量?

科学家们能够在这冷却的余辉中找到国际诞生瞬间的痕迹,细小的改变以声波的方式在前期的“粒子汤”中传达。假设没有这些细小的改变,国际就将从火热的火球冷却到一片虚无。咱们知道这并没有发作,由于空间中充满了星系,星系一般集合在星系团中。微波布景辐射就像海洋外表相同,是润滑的;但接近的时分,却能够看到大海的波澜,而微波布景辐射的涟漪提醒了前期国际的改变。

詹姆斯·皮布尔斯一次又一次地解说了这些来自国际前期的“化石”的遗址。国际学家能够以惊人的准确度猜测布景辐射的改变,并展现它们怎么影响国际中的物质和能量。

榜首个严重的打破发作在 1992 年 4 月,其时美国 COBE(Cosmic Background Explorer)卫星项目的首要研讨人员展现了国际中榜首束光线的图画(2006年诺贝尔物理学奖颁发了 John Mather 和 George Smoot)。其他卫星,例如美国 WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)航天器和欧洲 Planck 航天器,逐步完善了这幅年青国际的肖像。恰如所料,布景辐射原本均匀的温度改变了十万分之一度。跟着精度的进步,对国际中所含物质和能量的理论核算得到了证明,其间大多数(95%)对咱们是不行见的。

暗物质和暗能量——国际学最大的疑团

自 20 世纪 30 时代以来,咱们就现已知道咱们所能看到的并不仅仅只要这儿的全部。对星系旋转速度的丈量标明,它们必须由不行见物质的引力结合在一同,不然它们会支离破碎。人们还以为,远在粒子汤放松对光子的操控之前,这种暗物质就在星系的来源中发挥了重要效果。

暗物质的组成依然是国际学最大的疑团之一。长期以来,科学家们一向以为,已知的中微子能够构成这种暗物质,可是简直以光速穿越空间的低质量中微子的数量多到不可思议,以至于无法将物质结合在一同。相反,在1982年,皮布尔斯提出冷暗物质的重粒子和慢粒子能够完结这项作业。咱们仍在寻觅这些能够避免与已知物质彼此效果,而且构成了26%的国际的不知道的冷暗物质粒子。

依据爱因斯坦的广义相对论,空间的几许形状与引力彼此相关——国际包括的质量和能量越多,空间就变得越曲折。在质量和能量的临界值,国际不会曲折。这种两条平行线永久不会相交的国际,一般被称为是平整的。别的两种挑选其间一个是物质太少的国际,这将导致一个平行线终究会远离的敞开国际,或许一个物质太多的关闭国际,平行线终究将相交。

国际布景辐射的丈量,以及理论上的考虑,供给了一个明晰的答案——国际是平整的。可是,它所包括的物质仅够到达临界值的 31%,其间 5% 是一般物质,26% 是暗物质。其间大部分也便是 69% 的物质不见了。吉姆·皮布尔斯再次供给了一个底子的解决计划。1984 年,他为爱因斯坦国际常数的康复做出了奉献,这便是空白空间的能量。这被命名为暗能量,它占有了国际的 69%。连同冷暗物质和一般物质,这足以支撑平整国际的主意。

暗能量 14 年来一向仅仅一种理论,直到 1998 年国际加快胀大被发现 (2011 年诺贝尔物理学奖颁发索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯)。物质之外的东西在对日益敏捷的胀大起效果——一种不知道的暗能量正在推进它。突然间,这个理论补丁变成了能够在天上调查的实际。

暗物质和暗能量现在都是国际学中最大的疑团之一。他们只通过对周围环境的影响来让自己被人们所知——比方一个拉,另一个推。不然,人们对它们知之甚少。国际漆黑的一面躲藏着什么隐秘?不知道背面躲藏着什么新物理学?在咱们企图解开太空之谜的进程中,咱们还会发现什么?

盘绕另一颗太阳的榜首颗行星

虽然咱们只知道整个国际物质和能量的五分之一,绝大多数国际学家以为大爆炸模型是国际来源和展开的实在解说。国际物质的很小的碎块终究结构了咱们所在的国际——恒星,行星,树木,花朵和人类。人类是仅有孤单凝视着国际的物种么?在盘绕另一个太阳的行星上,是否有生命存在?没有人知道。可是咱们现在知道了咱们的太阳并不是仅有个有行星的恒星,在银河系中的数千亿颗恒星的绝大多数都有其随同的行星。天文学家现在已知有超越 4,000 颗系外行星。别致的新国际现已被发现了,与咱们自己的行星体系彻底不同。榜首个行星被发现时,其自身是如此独特以至于没人敢信任。这颗行星太大以至于极端接近其盘绕的宿主恒星。

米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹于 1995 年 10 月 6 日在意大利佛罗伦萨举办的一次天文学会议上宣告了这一激动人心的发现。这是榜首颗被证明盘绕类日型恒星运转的行星。这颗被命名为飞马座51b(51 Pegasi b)的行星盘绕飞马座51(51 Pegasi)恒星飞速移动,其间隔地球 50 光年,公转周期为 4 天(表明其间隔恒星很近,只要 800 万公里)。恒星将行星加热,温度超越1000℃。在地球上,由于地球间隔太阳为1.5亿公里,公转轨迹周期为1年,因而状况要好许多。

新发现行星的体型大得令人惊奇——作为一个气态球体,其可比较太阳系中的最大气态行星:木星(Jupiter)。木星的体积是地球的 1300 倍,质量是地球的 300 倍。依据前期有关行星构成的理论,木星体型巨细的行星应该在远离其恒星的方位发作,而且需求很长的公转周期。木星盘绕太阳的一个周期大约需求 12 年 ,所以天马座 51b 的 4 天盘绕短周期对寻觅系外行星是个超级意外,这意味着之前他们找错了方向。

简直在这个发现之后,两个美国天文学家保罗·巴特勒和杰弗里·马西将他们的望远镜转向了天马座51b星系然后确认了麦耶和奎洛兹的发现。仅仅在两个月之后,他们发现了两个新的盘绕类太阳型恒星的系外行星。行星短的盘绕周期关于那些天文学家来说是十分快捷的,由于这意味着他们不需求等候几个月乃至几年来等行星盘绕恒星一个周期。现在他们能够等行星盘绕恒星好几圈。

斯德哥尔摩十月的星空图。在咱们的太阳系外发现的榜首个绕类太阳型恒星运转的行星是飞马座。它绕着一颗名为飞马座51的恒星运转,只要在天亮时才干用肉眼看到它。可是,构成飞马正方形状的四颗星星很简单辨认。

这些行星为什么间隔恒星这么近?这个问题应战着现有的有关行星来源的理论,并引出了新的理论。新理论用来描绘大的气体球在太阳系边际被发明出来,然后向着其恒星旋进。

完善办法,终究发现

人们需求运用更为杂乱的计划,才干追寻一颗系外行星。所谓系外行星,是那些自己不会发光,只能靠反射来自其他星体的宣布的光的行星。一般这些光辉都被来自宿主恒星的耀眼光辉掩盖住了。

研讨组用来发现系外行星的办法被称为径向速度法(radial velocity method)。宿主恒星在行星重力的影响下会发作移动,该办法丈量宿主恒星的移动来断定。由于行星盘绕恒星滚动,恒星其实也在盘绕着他们的一同质心发作滚动。在坐落地球上的观测者看来,在视野方向上,这颗恒星看起来就像一会向后摇,一会向前摇。

而恒星的这种移动速度,也便是径向速度,能够通过广为人知的多普勒效应来进行丈量。多普勒效应说的是光线从一个移动物体上宣布时,假如这个物体向着咱们移动,光线会「变得更蓝」(蓝移);而假如这个物体远离咱们移动,光线会「变得更红」(红移)。这个效应其实和咱们平常听到的救护车向着咱们开腔调会变高,远离咱们开腔调会变低是相同的原理。

行星的这个效应使得恒星的光线挑选性地变蓝或许变红。天文学家用试验设备捕获的正是光波长的这些改变。色彩上的改变能够通过恒星宣布的光的波长准确丈量,然后给出恒星在调查者的视野方向,也便是径向方向上的速度。

这儿边最大的应战来自于径向速度特别得小。举例来说,木星的引力使得咱们的太阳绕着太阳系的质心以 12m/s 的速度运动。地球仅仅奉献了 0.09m/s 。假如咱们想要发现类地行星,这就对咱们的仪器灵敏度提出了极高的要求。为了进步准确度,天文学家一同丈量数以千计的波长。全部的光线运用光谱仪依照不同的波长区别开来,而这也正是这些丈量的要害。

恒星受行星引力的影响移然后发作移动,在地球上看来,恒星在视野方向上来回摇摆。这个运动的速度及其径向速度能够由多普勒效应确认,由于来自运动物体的光的色彩会发作改变。

恒星的周期性移动,使得径向速度发作周期性改变,然后出现周期性蓝移和红移。

在 20 世纪 90 时代前期,迪迪埃·奎洛兹在日内瓦大学(the University of Geneva)开端他的研讨生计,米歇尔·麦耶现已花了许多年研讨恒星的运动,在其他研讨人员的协助下搭起了自己的丈量仪器。1977 年,麦耶现已能在坐落法国马赛东北 100 公里处的上普罗旺斯天文台(Haute-Provence Observatory)的望远镜上装置他比较前期的光谱仪。这个仪器丈量恒星速度的下限在 300 m/s 左右,而这个速度依然太大,以至于底子看不到有行星拖拽它的宿主恒星。

与研讨小组一同,博士生奎洛兹被要求开发新办法然后进行更准确的丈量。他们运用了许多新技术,能够快速调查很多恒星并一同剖析其效果。光纤能够将来自恒星的星光传送到光谱仪而不失真,更好的数字图画传感器(CCD)能够进步机器对光的灵敏度(2009 年高锟由于在光传输于纤维的光学通讯范畴打破性效果,威拉德·博伊尔和乔治·史密斯发明晰 CCD 取得 2009 年诺贝尔物理学奖)。功用更强壮的核算机使得科学家能够开发用于处理数字图画和数据处理的定制软件。

当新的光谱仪于 1994 年春完工时,恒星运动的速度丈量下限下降到 10 - 15 m/s,间隔系外行星的发现现已十分挨近了。在其时,搜索系外行星并不是干流天文学的一部分,可是麦耶和奎洛兹现已准备好发布他们的发现。他们花了几个月的时刻完善他们的效果,终究在 1995 年 10 月,他们总算准备好,向全国际介绍搜索得到的榜首颗系外行星。

更多的国际可被揭晓

盘绕类太阳型恒星盘绕的系外行星的初次发现敞开了天文学的一场革新。上千万个不知道的国际被出现出来。现在不只能够通过地球上的望远镜还能够通过卫星发现他们。美国空间望远镜 TESS(苔丝),现在能够扫描超越 20 万颗离咱们最近的行星,并搜索类地球的行星。之前,开普勒望远镜带来了许多丰盛的效果,其发现了超越 2300 个系外行星。

跟着径向速度的改变,现在寻觅系外行星时运用凌日法(transit photometry)。这种办法首要是丈量当一颗行星从恒星前方通过期,恒星光线强度的改变。凌日法还能使天文学家调查到系外行星的大气层,由于光会通过大气层传达。有时这两种办法都会用。凌日法能求出系外行星的巨细,它的质量能运用径向速度法求解。一般关于系外行星,先求其密度,然后确认其结构。

运用凌日法找到行星:当行星通过恒星和咱们之间时,恒星的光强度会下降。地球上的望远镜能够调查到这种影响。

太阳仅仅咱们银河系中数亿颗恒星中的一颗,应该还有一些行星盘绕这些恒星运转。到目前为止,天文学家现已在其他恒星周围发现了超越了4000多个行星,而且正持续在距咱们较近的太空区域内寻觅。

迄今为止发现的系外行星以惊人的方式——巨细和轨迹——使咱们感到惊奇。它们应战了咱们先入为主的行星体系的观念,并迫使研讨人员批改了行星诞生的物理进程的理论。跟着很多寻觅系外行星的项目展开,咱们终究或许找到这个永久的问题——国际中是否还有其他生命——的答案。

本年的获奖者改变了咱们对国际的观点。詹姆斯·皮布尔斯的理论发现有助于咱们了解大爆炸之后国际的演化,米歇尔·迈耶和迪迪埃·奎洛兹在寻觅不知道行星的进程中探究了咱们的国际。他们的发现永久改变了咱们对国际的观念。

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