2019诺奖官方解读翻译：来自地球上的，对星辰和宇宙的新视角

　　* 文章翻译自诺贝尔奖官网

　　来自地球上的，对星辰和宇宙的新视角

　　2019 年诺贝尔物理学奖授予了：对宇宙结构以及历史的新理解，和首次发现一颗围绕类日恒星运转的系外行星两项工作。本年度的诺贝尔奖得主对回答我们如何存在的这个问题做出了贡献。宇宙早期发生了什么？它将要发生什么？我们的太阳系外会有其他的行星吗？他们在围绕其他的太阳运转吗？

　　詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）研究的宇宙包含数以亿计的星系和星系团。他在 20 世纪 60 年代中期提出了自己的理论框架，并在之后二十年对它进行了发展。这个理论框架是理解宇宙从大爆炸到此刻之间的历史的基石。皮布尔斯的发现让我们对所处的宇宙环境有了深刻的认识。我们的宇宙中，可见物质仅仅占了所有物质和能量的 5%，而剩下 95% 的物质一直处于隐藏状态。这是现代物理学中的一个未解的谜题和挑战。

　　米歇尔·麦耶（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）探索了我们的银河系，以期找到一些之前不为人知的世界。1995年，他们观测到了第一个太阳系外的行星正在围绕一个类日恒星运动。这个发现和我们之前关于这些世界的认识不同并推动了天文学的发展。已经发现的超过 4000 颗系外行星以各种形态存在，它们与我们的太阳和行星几乎完全不同。这些发现促使科学家去建立描述行星产生的新理论。

　　一声巨响，宇宙学就这么开始了

　　过去 50 年是宇宙学发展的黄金时期，尤其是对于宇宙起源和演化的相关研究。上世纪 60 年代，人们对宇宙学的研究开始从经验主义转变到科学分析的基础之上。引领这一转变的关键人物正是詹姆斯.皮布尔斯，他的发现为天文学的研究建立了科学基础并扩充了整个领域的研究范围。他的第一本书，1971 年出版的《物理宇宙学》，鼓舞了整整一代物理学家在这个领域做出贡献，这些贡献不仅包含理论方面的工作也包含观测和测量方面的工作。只有科学可以回答像我们从哪里来到哪里去的问题。宇宙学超出了人们关于信念和意义的概念。这与上世纪初阿尔伯特·爱因斯坦所说的，宇宙中最大的奥秘是它竟然可以被理解，不谋而合。

　　从 100 年前开始，人们才知道宇宙是一直处于演化中的。在这之前，我们认为宇宙是一成不变的，但是在上世纪 20 年代，天文学家发现所有的星系之间的距离都在增大，它们也在离我们而去。宇宙正在膨胀。现在我们知道，今天的宇宙和昨天的不同，和明天的也不同。

　　天文学家现在所观察到的现象已经被爱因斯坦 1916 年发表的广义相对论所预言，广义相对论已经成为对宇宙中大尺度空间进行计算的基础。当爱因斯坦发现广义相对论会导致宇宙膨胀时，他认为需要引入了一个常数来消除这种膨胀而让宇宙仍然处于静止的状态。十年之后，当宇宙膨胀被观测到时，这个常数就没有必要存在了。爱因斯坦将这件事当做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·皮布尔斯之手重返宇宙学并在这个领域产生重大影响。

　　宇宙的第一缕「阳光」揭示了一切

　　宇宙膨胀意味着它曾经更致密，更热。在 20 世纪中叶，宇宙被认为诞生于一场“大爆炸”。没有人知道早期的宇宙的情况，但是早期的宇宙被认为里面充满了致密、热和浑浊的“粒子汤”，那些轻的粒子，光子，在里面不断反弹。

　　经过近 40 万年的膨胀，这种“粒子汤”冷却到几千摄氏度。原始粒子能够相互结合，形成主要由氢和氦原子组成的透明气体。这时，光子开始自由移动，光得以在空间中传播。这些第一缕的“阳光”仍然充满了整个宇宙。空间的膨胀拉伸了可见光的波长，因此它们最终成为了波长为几毫米的不可见的微波。

　　1964 年，美国两位射电天文学家——1978 年诺贝尔奖获得者亚诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）——第一次捕捉到了宇宙诞生的微光。他们无法摆脱天线从太空各处拾取的恒定“噪声”，因此他们在其他研究人员的研究中寻求解释，其中就包括詹姆斯·皮布尔斯。詹姆斯·皮布尔斯对这种无处不在的背景辐射进行了理论计算。在将近 140 亿年之后，宇宙温度已下降到接近绝对零度（-273°C）。皮布尔斯的重大突破在于他意识到了辐射的温度可以告诉我们大爆炸中产生了多少物质，并理解了光的红移对于物质聚集成我们现在看到的星系和星系团起着决定性的作用。

　　微波辐射的发现开启了现代宇宙学的新纪元。来自宇宙婴儿期的古老辐射已经变成了一个金矿，它包含了宇宙学家想要知道的几乎所有答案。宇宙多大了？它的命运是什么？存在多少物质和能量？

　　科学家们可以在这冷却的余辉中找到宇宙诞生瞬间的痕迹，微小的变化以声波的形式在早期的“粒子汤”中传播。假如没有这些微小的变化，宇宙就将从炽热的火球冷却到一片虚无。我们知道这并没有发生，因为空间中充满了星系，星系通常聚集在星系团中。微波背景辐射就像海洋表面一样，是光滑的；但靠近的时候，却可以看到大海的波涛，而微波背景辐射的涟漪揭示了早期宇宙的变化。

　　詹姆斯·皮布尔斯一次又一次地解释了这些来自宇宙早期的“化石”的遗迹。宇宙学家能够以惊人的精确度预测背景辐射的变化，并展示它们如何影响宇宙中的物质和能量。

　　第一个重大的突破发生在 1992 年 4 月，当时美国 COBE（Cosmic Background Explorer）卫星项目的主要研究人员展示了宇宙中第一束光线的图像（2006年诺贝尔物理学奖授予了 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，逐渐完善了这幅年轻宇宙的肖像。恰如所料，背景辐射本来均匀的温度变化了十万分之一度。随着精度的提高，对宇宙中所含物质和能量的理论计算得到了证实，其中大多数（95％）对我们是不可见的。

　　暗物质和暗能量——宇宙学最大的谜团

　　自 20 世纪 30 年代以来，我们就已经知道我们所能看到的并不仅仅只有这里的一切。对星系旋转速度的测量表明，它们必须由不可见物质的引力结合在一起，否则它们会四分五裂。人们还认为，远在粒子汤放松对光子的控制之前，这种暗物质就在星系的起源中发挥了重要作用。

　　暗物质的组成仍然是宇宙学最大的谜团之一。长期以来，科学家们一直认为，已知的中微子可以构成这种暗物质，但是几乎以光速穿越空间的低质量中微子的数量多到难以想象，以至于无法将物质结合在一起。相反，在1982年，皮布尔斯提出冷暗物质的重粒子和慢粒子可以完成这项工作。我们仍在寻找这些能够避免与已知物质相互作用，并且构成了26%的宇宙的未知的冷暗物质粒子。

　　根据爱因斯坦的广义相对论，空间的几何形状与引力相互关联——宇宙包含的质量和能量越多，空间就变得越弯曲。在质量和能量的临界值，宇宙不会弯曲。这种两条平行线永远不会相交的宇宙，通常被称为是平坦的。另外两种选择其中一个是物质太少的宇宙，这将导致一个平行线最终会远离的开放宇宙，或者一个物质太多的封闭宇宙，平行线最终将相交。

　　宇宙背景辐射的测量，以及理论上的考虑，提供了一个清晰的答案——宇宙是平坦的。然而，它所包含的物质仅够达到临界值的 31%，其中 5% 是普通物质，26% 是暗物质。其中大部分也就是 69% 的物质不见了。吉姆·皮布尔斯再次提供了一个根本的解决方案。1984 年，他为爱因斯坦宇宙常数的恢复做出了贡献，这就是空白空间的能量。这被命名为暗能量，它占据了宇宙的 69%。连同冷暗物质和普通物质，这足以支持平坦宇宙的想法。

　　暗能量 14 年来一直只是一种理论，直到 1998 年宇宙加速膨胀被发现 (2011 年诺贝尔物理学奖授予索尔·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迅速的膨胀起作用——一种未知的暗能量正在推动它。突然间，这个理论补丁变成了可以在天上观察的现实。

　　暗物质和暗能量现在都是宇宙学中最大的谜团之一。他们只通过对周围环境的影响来让自己被人们所知——比如一个拉，另一个推。否则，人们对它们知之甚少。宇宙黑暗的一面隐藏着什么秘密？未知背后隐藏着什么新物理学？在我们试图解开太空之谜的过程中，我们还会发现什么？

　　围绕另一颗太阳的第一颗行星

　　尽管我们只知道整个宇宙物质和能量的五分之一，绝大多数宇宙学家认为大爆炸模型是宇宙起源和发展的真实解释。宇宙物质的很小的碎块最终构造了我们所处的世界——恒星，行星，树木，花朵和人类。人类是唯一孤独凝视着宇宙的物种么？在围绕另一个太阳的行星上，是否有生命存在？没有人知道。但是我们现在知道了我们的太阳并不是唯一个有行星的恒星，在银河系中的数千亿颗恒星的绝大多数都有其伴随的行星。天文学家现在已知有超过 4,000 颗系外行星。新奇的新世界已经被发现了，与我们自己的行星系统完全不同。第一个行星被发现时，其本身是如此奇特以至于没人敢相信。这颗行星太大以至于极其靠近其环绕的宿主恒星。

　　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行的一次天文学会议上宣布了这一激动人心的发现。这是第一颗被证明环绕类日型恒星运行的行星。这颗被命名为飞马座51b（51 Pegasi b）的行星围绕飞马座51（51 Pegasi）恒星飞速移动，其距离地球 50 光年，公转周期为 4 天（表示其距离恒星很近，只有 800 万公里）。恒星将行星加热，温度超过1000℃。在地球上，由于地球距离太阳为1.5亿公里，公转轨道周期为1年，因此情况要好很多。

　　新发现行星的体型大得令人惊讶——作为一个气态球体，其可比拟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。根据早期有关行星形成的理论，木星体型大小的行星应该在远离其恒星的位置产生，并且需要很长的公转周期。木星环绕太阳的一个周期大约需要 12 年 ，所以天马座 51b 的 4 天环绕短周期对寻找系外行星是个超级意外，这意味着之前他们找错了方向。

　　几乎在这个发现之后，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环绕类太阳型恒星的系外行星。行星短的环绕周期对于那些天文学家来说是非常便捷的，因为这意味着他们不需要等待几个月甚至几年来等行星环绕恒星一个周期。现在他们可以等行星围绕恒星好几圈。

　　斯德哥尔摩十月的星空图。在我们的太阳系外发现的第一个绕类太阳型恒星运行的行星是飞马座。它绕着一颗名为飞马座51的恒星运行，只有在天黑时才能用肉眼看到它。但是，形成飞马正方形状的四颗星星很容易识别。

　　这些行星为什么距离恒星这么近？这个问题挑战着现有的有关行星起源的理论，并引出了新的理论。新理论用来描述大的气体球在太阳系边缘被创造出来，然后向着其恒星旋进。

　　完善方法，最终发现

　　人们需要使用更为复杂的方案，才能追踪一颗系外行星。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发出的光的行星。一般这些光芒都被来自宿主恒星的耀眼光芒掩盖住了。

　　研究组用来发现系外行星的方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生移动，该方法测量宿主恒星的移动来判定。由于行星环绕恒星转动，恒星其实也在围绕着他们的共同质心发生转动。在位于地球上的观测者看来，在视线方向上，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，也就是径向速度，可以通过广为人知的多普勒效应来进行测量。多普勒效应说的是光线从一个移动物体上发出时，如果这个物体向着我们移动，光线会「变得更蓝」（蓝移）；而如果这个物体远离我们移动，光线会「变得更红」（红移）。这个效应其实和我们平时听到的救护车向着我们开音调会变高，远离我们开音调会变低是一样的原理。

　　行星的这个效应使得恒星的光线选择性地变蓝或者变红。天文学家用实验设备捕获的正是光波长的这些变化。颜色上的变化可以通过恒星发出的光的波长精确测量，从而给出恒星在观察者的视线方向，也就是径向方向上的速度。

　　这里面最大的挑战来自于径向速度特别得小。举例来说，木星的引力使得我们的太阳绕着太阳系的质心以 12m/s 的速度运动。地球仅仅贡献了 0.09m/s 。如果我们想要发现类地行星，这就对我们的仪器灵敏度提出了极高的要求。为了提高精确度，天文学家同时测量数以千计的波长。所有的光线利用光谱仪按照不同的波长区分开来，而这也正是这些测量的关键。

　　恒星受行星引力的影响移从而发生移动，在地球上看来，恒星在视线方向上来回摆动。这个运动的速度及其径向速度可以由多普勒效应确定，因为来自运动物体的光的颜色会发生变化。

　　恒星的周期性移动，使得径向速度发生周期性变化，从而出现周期性蓝移和红移。

　　在 20 世纪 90 年代早期，迪迪埃·奎洛兹在日内瓦大学（the University of Geneva）开始他的研究生涯，米歇尔·麦耶已经花了很多年研究恒星的运动，在其他研究人员的帮助下搭起了自己的测量仪器。1977 年，麦耶已经能在位于法国马赛东北 100 公里处的上普罗旺斯天文台（Haute-Provence Observatory）的望远镜上安装他比较早期的光谱仪。这个仪器测量恒星速度的下限在 300 m/s 左右，而这个速度仍然太大，以至于根本看不到有行星拖拽它的宿主恒星。

　　与研究小组一起，博士生奎洛兹被要求开发新方法从而进行更精确的测量。他们利用了许多新技术，可以快速观察大量恒星并同时分析其结果。光纤可以将来自恒星的星光传送到光谱仪而不失真，更好的数字图像传感器（CCD）可以提高机器对光的灵敏度（2009 年高锟因为在光传输于纤维的光学通信领域突破性成就，威拉德·博伊尔和乔治·史密斯发明了 CCD 获得 2009 年诺贝尔物理学奖）。功能更强大的计算机使得科学家能够开发用于处理数字图像和数据处理的定制软件。

　　当新的光谱仪于 1994 年春完工时，恒星运动的速度测量下限下降到 10 - 15 m/s，距离系外行星的发现已经非常接近了。在当时，搜寻系外行星并不是主流天文学的一部分，但是麦耶和奎洛兹已经准备好公布他们的发现。他们花了几个月的时间完善他们的成果，最终在 1995 年 10 月，他们终于准备好，向全世界介绍搜寻得到的第一颗系外行星。

　　更多的世界可被揭晓

　　围绕类太阳型恒星环绕的系外行星的首次发现开启了天文学的一场革命。上千万个未知的世界被呈现出来。现在不仅可以通过地球上的望远镜还可以通过卫星发现他们。美国空间望远镜 TESS（苔丝），现在可以扫描超过 20 万颗离我们最近的行星，并搜寻类地球的行星。之前，开普勒望远镜带来了许多丰硕的成果，其发现了超过 2300 个系外行星。

　　随着径向速度的变化，现在寻找系外行星时使用凌日法（transit photometry）。这种方法主要是测量当一颗行星从恒星前方通过时，恒星光线强度的变化。凌日法还能使天文学家观察到系外行星的大气层，因为光会通过大气层传播。有时这两种方法都会用。凌日法能求出系外行星的大小，它的质量能利用径向速度法求解。一般对于系外行星，先求其密度，然后确定其结构。

　　利用凌日法找到行星：当行星经过恒星和我们之间时，恒星的光强度会降低。地球上的望远镜可以观察到这种影响。

　　太阳只是我们银河系中数亿颗恒星中的一颗，应该还有一些行星围绕这些恒星运行。到目前为止，天文学家已经在其他恒星周围发现了超过了4000多个行星，并且正继续在距我们较近的太空区域内寻找。

　　迄今为止发现的系外行星以惊人的形式——大小和轨道——使我们感到惊讶。它们挑战了我们先入为主的行星系统的观念，并迫使研究人员修正了行星诞生的物理过程的理论。随着众多寻找系外行星的项目开展，我们最终可能找到这个永恒的问题——宇宙中是否还有其他生命——的答案。

　　今年的获奖者改变了我们对宇宙的看法。詹姆斯·皮布尔斯的理论发现有助于我们理解大爆炸之后宇宙的演变，米歇尔·迈耶和迪迪埃·奎洛兹在寻找未知行星的过程中探索了我们的宇宙。他们的发现永远改变了我们对世界的观念。

　　更多内容

　　关于今年奖项的更多信息，包括英语的科学背景，可在瑞典皇家科学院网站和www.nobelprize.org查阅，在那里你可以观看新闻发布会、诺贝尔演讲等视频。有关诺贝尔奖和经济科学奖的展览和活动的信息可查阅www.nobelprizemuseum.se。