2019年诺贝尔物理学奖解读 发现系外行星是怎样做到的

作者: 网络整理 分类: 逛逛 发布时间: 2019-11-10 09:06

2019年诺贝尔物理学奖解读 发现系外行星是怎样做到的

詹姆斯·皮布尔斯

2019年诺贝尔物理学奖解读 发现系外行星是怎样做到的

迪迪埃·奎洛兹

2019年诺贝尔物理学奖解读 发现系外行星是怎样做到的

米歇尔·马约尔

  2019年10月8日,瑞典皇家科学院宣布了2019年诺贝尔物理学奖的归属。本次诺奖颁发给了两个领域,其中来自瑞士的米歇尔·马约尔教授和迪迪埃·奎洛兹教授,因为“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”,而分享了本届诺贝尔物理学奖的一半奖金。

  系外行星是目前十分热门的一个研究领域,特别是这个研究与发现外星生命有关,更吸引了很多人的兴趣。

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  早期猜测:系外行星存在吗?

  人类从仰望星空的那一刻起,就开始了“我们在宇宙中是否唯一”的追问。许多历史上的伟人也不断思索着“太阳系之外到底是否有其他行星乃至生命存在”?

  早在16世纪,布鲁诺在《论无限的宇宙和世界》中就提出了对于系外行星的预言。他认为天空中的恒星,应该都像我们的太阳一样,它们的周围也会环绕着行星,而这些行星也可以孕育自己的生命。他的这一思想拓展了那时刚被哥白尼提出不久的“日心说”。然而,“地心说”的思想在当时人们心中根深蒂固,布鲁诺的思想被认为是异端邪说。

  18世纪时,牛顿在他的旷世名作《自然哲学的数学原理》一书中提到了同样的可能性。通过与太阳周围行星类比,牛顿脑海中浮现出的,是其他恒星周围类似太阳系一样行星环绕的壮观场景。系外行星的猜想也被越来越多的人所接受。

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  首次发现:脉冲星周围的异类

  19世纪以来,随着望远镜越做越大和探测手段的不断进步,有很多研究者都声称发现了系外行星,但都无法得到证实。而人类的第一颗系外行星,却被射电天文学家在一类不可思议的天体周围偶然发现了。

  1992年,射电天文学家亚历山大·沃尔兹森和戴尔·弗莱在精确测量脉冲星PSR 1257+12的脉冲信号时,找到了不属于脉冲星的其他信号,进而发现了它周围的两颗系外行星,并被证实。然而脉冲星是高速自转的中子星,中子星是大质量恒星死亡的一类产物,它的密度大到在一个指甲盖大小的体积内,可以集中数吨的重量。脉冲星又因为有强磁场,高速转动并不断向外发出周期性强辐射。这样严酷的环境,周围存在的系外行星肯定与我们的地球相去甚远,自然不会有生命存在。虽然这两颗系外行星创造了人类首次,但显然科学家还是更希望在跟太阳类似的恒星周围找到行星,而不是一个死亡的“大怪物”旁边;发现所用到的精确计时方法也并没有在后续搜寻中广泛应用。这一发现也因此与诺奖失之交臂。

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  困难重重:难以察觉的信号

  脉冲星周围系外行星的发现纯属偶然,探测方法也并不普适。那更可能发现系外行星的方法是怎样的呢?由于行星自身不发光,所以我们很难直接在其他恒星周围找到可能存在的系外行星,这时候牛顿的万有引力定律又可以来帮忙了。行星自身的质量使得行星和恒星围绕着他们共同的质量中心在转动。那么在地球上的望远镜,就有可能看到行星引力对于恒星的影响:行星让恒星在天空中轻轻“摇摆”,换句话说就是在视线方向上,恒星受行星引力作用,时而远离时而靠近我们。这种细微的摇摆反应在光谱上,就会造成恒星光谱不断红移和蓝移的速度变化。我们称这种探测系外行星的方法为视向速度法。

  由于行星与恒星质量相差悬殊,太阳系内质量最大的木星,造成的太阳视向速度额外的变化量只有12.4米/秒,换成地球则只有不到10厘米/秒。而距离我们最近的恒星也在4光年之外。也就是说,我们要在地球探测远在数光年之外恒星米每秒量级的晃动,还要排除各种其他因素的干扰,这个难度可想而知。

  当时国际上的几个小组就是通过这种方法,长期监测天上的一批与太阳类似的恒星,期待发现其中潜在的系外行星,从而夺取这个领域的第一。按照人们基于太阳系的普遍认识,距离恒星较远、质量较大类似木星的系外行星应该会被最先发现。但正所谓万事开头难,人们用这一方法苦苦寻找了近十年却一无所获。

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  一举夺魁:颠覆认知的发现

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