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2019年诺贝尔物理学奖授予三位天文学家,他们都有什么贡献?

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百家号:火星科普


2019年的诺贝尔物理学奖已经正式公布,授予天体物理学领域,美国物理学家和宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)、瑞士天文学家米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和瑞士天文学家迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)共同荣膺桂冠,他们的研究极大加深了我们对宇宙的认识。那么,这三位科学家在宇宙学中都取得了哪些重大成就呢?

詹姆斯·皮布尔斯

皮布尔斯对宇宙大爆炸理论的发展做出了巨大的贡献。自从哈勃通过星系红移发现宇宙正在膨胀之后,天文学家意识到宇宙的过去很小,宇宙在最初时刻小到成为奇点。既然宇宙的过去很小,大量能量聚集在空间中,这会使得早期宇宙变得很热。如果早期宇宙非常热,其热量还会残余到今天,并且能够被探测到。

根据预测,宇宙的诞生时间在138亿年前。经过如此漫长时间的冷却,宇宙的最早辉光会随着空间膨胀而衰减成为肉眼不可见的微波,这就是宇宙微波背景辐射,其温度大概为3 K,比绝对零度高了3度,即-270 ℃。在1964年,物理学家终于发现了3K背景辐射,两位发现者也因此而获得诺贝尔物理学奖。

皮布尔斯解释了3K背景辐射正是宇宙大爆炸的最重要证据之一。此外,皮布尔斯还在太初核合成(合成宇宙物质基础的过程)、暗物质(占比27%)和暗能量(占比68%)等方面做出了巨大的贡献。有了皮布尔斯的努力,宇宙结构形成理论最终才演变成一个严谨的物理学分支。


宇宙微波背景辐射

鉴于皮布尔斯在天体物理学的重大贡献,他获得了今年诺贝尔物理学奖的一半。另一半授予了麦耶和奎洛兹,他们在系外行星领域做出了很大贡献。

米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹

天文学家很早知道,夜空中肉眼能够看到的星星都是像太阳那样自身能够发光的恒星。既然太阳周围有行星环绕,那么,其他恒星周围是否也存在行星呢?


飞马座51b想象图

答案是肯定的。在1992年,天文学家首次发现了太阳系外的行星,不过,它的主星是一颗死亡恒星——中子星。到了1995年,麦耶和奎洛兹首次共同发现了一颗围绕着主序星旋转的系外行星——飞马座51b。

飞马座51距离地球大约50光年,视星等为5.5等,在观测条件极佳的地方肉眼可见。就像太阳一样,飞马座51是一颗G型黄矮星。它略大于太阳,其质量为太阳的1.1倍,半径为太阳的1.2倍,光度是太阳的1.4倍,表面温度与太阳接近(约5500 ℃),年龄大约61亿年。

通过径向速度法,麦耶和奎洛兹在飞马座51周围发现了一颗行星——飞马座51b。这颗系外行星完全不同于太阳系中的任何一颗行星,因为它非常靠近主恒星,它的轨道半径只有0.0527天文单位,即788万公里,相当于水星与太阳距离的七分之一,环绕主星一周只需4.2天。飞马座51b非常大,其质量是木星的一半,相当于158倍地球质量。

飞马座51b想象图

由于飞马座51b离主恒星非常近,它已经被潮汐锁定,永远以一面对准主恒星,它的表面温度高达1010 ℃。天文学家把这种行星称之为“热木星”,它们并不存在于太阳系中。这颗热木星的发现改变了天文学家对行星形成的认知,揭开了系外行星研究的新纪元,所以麦耶和奎洛兹获得了今年的诺贝尔物理学奖。

此后,天文学家陆续发现了另一种更引人注目的系外行星——类地行星。由于飞马座51b这种行星是气态的,其主要成分为氢和氦,它们与地球相差很大,几乎不可能孕育出生命,因为太阳系中的木星和土星就是很好的例子。

因此,那些类似于地球存在岩石和金属固体表面的行星更受关注,尤其是那些处在宜居带中的类地行星。如果一颗类地行星与其主恒星的距离适中,它的表面就有合适的温度来让大量的液态水存在,从而为生命的孕育提供了条件。

开普勒452b想象图

迄今为止,天文学家找到了超过4100颗的系外行星,其中包括数十颗潜在的宜居行星,那里或许有外星生命。2015年发现的开普勒452b是最受关注的类地行星之一,因为它的主恒星与太阳非常类似,并且它的轨道半径也与地球非常类似,所以它被冠以“地球2.0”。

鉴于目前的观测能力,天文学家无法判断哪些系外行星上会有生命。不过,随着新一代太空和陆基天文望远镜的投入使用,或许在不远的将来,天文学家能够证明我们在宇宙中并不孤独。

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