茍利軍

在天文學(xué)界，皮布爾斯的名字如雷貫耳，可以說(shuō)是宇宙學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的先驅(qū)性人物。自從1970年以來(lái)，他被廣泛認(rèn)為是世界領(lǐng)先的理論宇宙學(xué)家，在這期間，他主要對(duì)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(xiàn)。也正是他的很多貢獻(xiàn)，才使宇宙學(xué)進(jìn)入了真正的精確宇宙學(xué)時(shí)代。今年84歲的皮布爾斯，他的獲獎(jiǎng)可稱得上實(shí)至名歸。

現(xiàn)代宇宙學(xué)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(shí)，人們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)遠(yuǎn)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(guò)去的幾十年里，人們不僅對(duì)宇宙的理解發(fā)生了深刻的變化，而且對(duì)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(xué)獎(jiǎng)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(guò)去半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)家們?cè)谟钪鎸W(xué)理論框架中的突破性發(fā)現(xiàn)。今年的諾貝爾獎(jiǎng)得主皮布爾斯在這個(gè)領(lǐng)域作出了開(kāi)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。他通過(guò)詳細(xì)的建模，并利用分析和數(shù)值方法，對(duì)宇宙的基本屬性進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)了意想不到的新物理學(xué)?，F(xiàn)在，科學(xué)家有了一個(gè)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(yuǎn)未來(lái)的狀態(tài)變化，對(duì)宇宙做出一個(gè)精確的描述。

曾幾何時(shí)，宇宙學(xué)是一門充斥著沒(méi)有堅(jiān)實(shí)依據(jù)的猜想，數(shù)據(jù)也少得可憐。但今天，宇宙學(xué)已經(jīng)成長(zhǎng)為一門精確的數(shù)學(xué)科學(xué)，越發(fā)精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)正發(fā)揮關(guān)鍵性作用。發(fā)現(xiàn)的時(shí)代并未終結(jié)。隨著測(cè)量精度越來(lái)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(xué)將為我們帶來(lái)更多驚喜，而皮布爾斯正是那個(gè)將我們引向新發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)路人。

自從天文學(xué)家?guī)椭藗冋J(rèn)識(shí)到宇宙極其廣袤之后，一個(gè)很自然的問(wèn)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(lái)的一兩百年，我們的地球會(huì)安然無(wú)事，然而，上萬(wàn)年或者更久一點(diǎn)時(shí)間之后，地球的環(huán)境變化就可能不太適合生物的居住。過(guò)世的物理學(xué)家霍金就曾預(yù)測(cè)，如果人類不保護(hù)環(huán)境，節(jié)省能源，我們將不得不離開(kāi)這個(gè)生我們養(yǎng)我們的藍(lán)色星球。所以尋找適宜的系外行星就是天文學(xué)家的一個(gè)目標(biāo)，也是在幫助未來(lái)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(jì)80年代開(kāi)始發(fā)展，在20世紀(jì)90年代時(shí)，取得了突破。此次獲獎(jiǎng)的有兩位瑞士天文學(xué)家，還是一對(duì)師生。他們?yōu)閷ふ姨?yáng)系之外的行星做出了開(kāi)創(chuàng)性的工作，在1995年的時(shí)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(shí)間和距離遠(yuǎn)近兩種方式，先時(shí)間后距離，同時(shí)發(fā)現(xiàn)按照從內(nèi)至外，字母順序從b開(kāi)始。1995年的這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著一片全新的天體物理學(xué)領(lǐng)域就此開(kāi)啟，即對(duì)系外行星與行星形成過(guò)程的研究。

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

說(shuō)到第一顆系外行星，還需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，通常我們會(huì)說(shuō)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(shí)，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(xué)家、美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)教授亞歷山大·沃爾茲森和當(dāng)時(shí)正在美國(guó)國(guó)立射電天文臺(tái)做博士后的戴爾·費(fèi)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(shí)被沃爾茲森確認(rèn)。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(duì)于我們了解地外生命并沒(méi)有太大的幫助。不僅如此，當(dāng)時(shí)探測(cè)所使用的方法“脈沖計(jì)時(shí)法”，也存在很大的局限性。

因此，人們往往會(huì)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(zhǔn)確地說(shuō)，飛馬座51b是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞類太陽(yáng)恒星運(yùn)行的系外行星。

在此后的一段時(shí)間內(nèi)，系外行星的發(fā)現(xiàn)速度比較緩慢，帶來(lái)這個(gè)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(kāi)普勒衛(wèi)星。這顆衛(wèi)星在2009年發(fā)射升空，一直運(yùn)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(rèn)，而其中，多一半就是由開(kāi)普勒衛(wèi)星一個(gè)設(shè)備所發(fā)現(xiàn)的。除過(guò)去這些確認(rèn)的行星之外，還有四千多顆開(kāi)普勒行星等待確認(rèn)。正是由于開(kāi)普勒衛(wèi)星給行星探測(cè)領(lǐng)域所帶來(lái)的巨大變化使這個(gè)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人威廉·伯魯奇獲得了2015年的邵逸夫獎(jiǎng)。

就在開(kāi)普勒衛(wèi)星退役之前，2018年的4月，NASA發(fā)射了由另外一個(gè)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(jì)劃運(yùn)行兩年，將對(duì)85%的天空開(kāi)展勘測(cè)，它比開(kāi)普勒衛(wèi)星的探測(cè)區(qū)域大400倍。TESS衛(wèi)星將著重尋找圍繞太陽(yáng)系附近恒星運(yùn)行的行星，而這些行星的特征將借由地面觀測(cè)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(cè)系外行星之外，天文學(xué)家也開(kāi)展了一些更為深入的研究。在2001年，天文學(xué)家觀察到了證明大氣存在的首個(gè)“印記”：589.3納米的鈉共振雙線。而之后，天文學(xué)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(xué)家觀測(cè)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(cè)到了水的存在。

近年來(lái)，隨著天文學(xué)家觀測(cè)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(wèn)：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(cè)到生命，但未來(lái)的系外行星特征探測(cè)衛(wèi)星（CHEOPS）、詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）、行星凌日和恒星振動(dòng)任務(wù)（PLATO）以及極大望遠(yuǎn)鏡（ELT）等地面任務(wù)都將配備先進(jìn)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(jiǎng)，皮布爾斯作為一個(gè)理論天文物理學(xué)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(xué)家，通過(guò)觀測(cè)的方式幫助我們打開(kāi)了一個(gè)更廣闊的系外行星的世界，讓我們?cè)谔?yáng)系之外看到我們地球的影子。感謝他們，推進(jìn)了人類所能認(rèn)知的疆域，讓我們看到更廣闊的宇宙?。ㄗ髡邽橹袊?guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、恒星級(jí)黑洞研究團(tuán)組首席科學(xué)家）