只是发现了一颗星,凭什么得了诺贝尔奖?

2019年10月09日 11:21 次阅读 稿源:科学大院 条评论

2019年的诺贝尔物理学奖于10月8日公布,有一半的奖金归属了一对师徒——瑞士的天文学家Michel Mayor和Didier Queloz。颁奖词说,授予他们诺奖,是为了表彰他们“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”。只看这句话,我想很多人可能会有疑惑,发现一颗系外行星也能拿诺奖?

从左往右,第二位和第三位就是这对幸运的师徒啦(图片来源:https://www.nobelprize.org)

别想糊弄我,我可是清清楚楚记得,光NASA的Kepler望远镜就找到了几千颗啊!非也非也,能拿诺奖,当然凭的是真本事,就让我们一起看一下,凭什么这师徒二人能够获得诺奖青睐吧。

1、首先,他们研究的是什么?

在颁奖词里我们已经知道了,这二位研究的是围绕类太阳恒星的系外行星。

我们在宇宙中是否唯一,是人类从仰望星空开始就在不断追问的问题,在太阳系之外的宇宙中,是否还有其他行星存在,也是一些历史伟人们经常思考的问题。

早在16世纪,布鲁诺在《论无限的宇宙和世界》中就提出了他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。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,牛顿的脑海中浮现出的,是其他恒星周围类似太阳系一样行星环绕的场景。

所以说,类太阳恒星周围的系外行星,就是如上面两位伟人所想的那样,在夜空中像太阳一样的其他亮星周围,也有行星在绕转,组成其他的“太阳系”。

2、他们如何找系外行星?巧妙的方法,幸运的颜色

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”。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,就会造成恒星光谱整体不断的红移和蓝移。我们称这种探测系外行星的方法为视向速度法。通过这一方法可以估算系外行星的质量这一重要参数。

视向速度法示意图

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恒星,期待发现潜在的系外行星对恒星光谱造成的速度变化,从而夺取这个领域的第一。这其中就包括Mayor和Queloz师徒,他们利用的是位于法国上普罗旺斯天文台的一台2米的望远镜和它所携带的当时最先进的光谱分析设备。

Mayer(右)和Queloz(左)在发现飞马座51b的望远镜前

这台望远镜被涂成了红色,这个中国人眼中的幸运色,也给瑞士人带来了好运。

3、他们找到了什么?一颗不可思议的系外行星!

功夫不负有心人,师徒二人长期监测绘制出的视向速度曲线,显示飞马座51周围存在一个质量至少有半个木星这么重的天体,每4天绕转一圈。

但这一发现却令师徒二人困惑不已。

要知道,太阳系中距离太阳最近的水星,公转周期也要88天。这个天体质量巨大却离它的太阳如此之近。他们在一个佛罗伦萨的学术会议上介绍了这个令人不可思议的发现,并寻求其他天文学家的帮助。

Marcy(右)和Butler(左)在Lick望远镜前

与此同时,美国的天文学家Geoffrey Marcy和Paul Butler,也在利用加州大学的望远镜做着同样的工作。当得知瑞士同行的发现时,他们也把自己的望远镜对准了飞马座51,并且得到了相似的视向速度变化曲线。此外,他们还对自己之前观测的其他恒星数据进行再次分析,又找到了一些类似的信号——巨大的质量、较小的周期。

美国人独立观测的数据,从侧面证实了瑞士人的发现,才最终促成了飞马座51b这“第一颗类太阳恒星周围的系外行星”的头衔。1995年11月, Mayor和当时还是他博士生的Queloz在《自然》杂志发表文章,正式宣布他们首次在类太阳恒星——飞马座51周围,发现了系外行星——飞马座51b。

飞马座51b基本信息

对于像飞马座51b这种大质量短周期的系外行星,由于距离恒星很近所以表面温度极高,天文学家也给了它们一个形象的名字——热木星。

4、听说第一颗系外行星不是他俩发现的?凭啥还能拿诺奖?

的确,天文学家一直在不断寻找太阳系之外的行星。

1992年,射电天文学家Aleksander Wolszczan 和Dale Frail在脉冲星PSR 1257+12周围发现的两颗系外行星,才是人类首次发现的太阳系外行星。

脉冲星PSR 1257+12系外行星系统示意图

但是,脉冲星是高速自转的中子星,中子星是一些大质量恒星死亡的产物,它的密度大到在一个指甲盖大小的体积内,就集中了数吨的重量。又因为脉冲星有强磁场,一直在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跟我们的地球相去甚远。

考虑到我们寻找系外行星的目的,还是希望能发现宇宙中其他的生命,因此,虽然这两颗系外行星创造了人类第一次,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,而不是在一个死亡的大怪物旁边。

此外,发现这两颗行星所使用的方法是精确的计时方法,这一方法发现的系外行星到目前为止也只有几十颗,并不是寻找系外行星的主流方法。所以Wolszczan和Frail也就遗憾的与诺奖失之交臂了。

5、美国天文学家的工作就晚了几天,不重要吗?为什么诺奖没有他们的名字?

前文我们提到,飞马座51b能够拿下“第一颗类太阳恒星周围的系外行星”的头衔,绝对离不开美国天文学家Geoffrey Marcy和Paul Butler的工作。

实际上,Marcy他们的工作确实重要。从那之后的数年内,瑞士和美国这两个小组领导的团队,几乎包揽了最初发现的几百颗系外行星,其中美国人的发现还要更多一些。他们开启了未来30年系外行星探测的热潮。

在这一重要发现十年后的2005年,有着东方诺贝尔奖之称的邵逸夫奖,也将天文奖颁给了Geoffrey Marcy和Michel Mayor,以表彰他们发现第一颗类太阳恒星周围系外行星的巨大贡献。这在当时也就意味着,如果不出意外,两人很可能会在若干年后拿下诺贝尔奖,当时大家普遍推测未来美国人和瑞士人会平分诺贝尔奖。

可是意外还是到来了,十年一个轮回,2015年,学术上无比出色的Geoffrey Marcy,被爆出了性骚扰丑闻而名声扫地,更是被所在的加州大学伯克利分校开除。不知道这跟他最早使用的望远镜被刷成黄色是否有关系……但显然诺贝尔奖已经不可能再有他的名字。

6、说来说去,发现这颗系外行星的意义究竟在哪?

有人可能会说了,就发现一颗系外行星,你也说了,这颗星外号热木星,离恒星很近,不宜居,我也不能搬家去那儿,不是说诺奖都要颁给为人类作出重大贡献的人吗?所以他俩到底是为啥拿了诺奖呢?

一句话:1995年飞马座51b的发现,改变了人类对于行星形成认知,也开启了系外行星研究的新时代。

早已退休的Michel Mayor教授,依然还继续着对系外行星的探索,他所领导的著名系外行星搜寻项目HARPS计划,是目前世界上精度最高的视向速度探测器。

他当年的学生Didier Queloz,也已经成为了剑桥大学的教授,并且活跃在系外行星前沿研究领域,领导着多个欧洲的地面和空间系外行星探测计划。

系外行星作为天体物理学领域的年轻分支,在近三十年来得到了蓬勃的发展。探测方法不断革新,研究手段有了更长足的进步,研究内容也从最初的寻找行星确定基本性质,到现在已经可以深入研究行星大气。

从图中可以清楚看到,近二十年系外行星发现的数量急速上升

从1995年的第一颗,到现在的4000多颗,我们不仅仅知道了系外行星的存在,还知道了系外行星是在恒星周围普遍存在的,这从一到多的过程,对于人类的认识无疑是革命性的。

从热木星,到超级地球再到类地行星,我们已经不仅仅可以发现大个头的系外行星,还发现了更多与我们地球质量大小类似的行星。更多地球兄弟姐妹的发现,无疑也为我们带来了更多的憧憬。从简单的测量行星周期质量半径,到现在可以探测到行星大气上可能存在的水分子和氧分子,我们的触手在一点点向系外生命靠近。

因此,毫不夸张地说,Mayor和Queloz的发现,开启了系外行星研究的新时代,使得系外行星成了当今天文学中最活跃的研究领域之一。

写在最后:

但是系外行星领域毕竟还很年轻,还没有出现类似找到另一个有生命星球这样重磅的发现。他们的得奖多少有些突然,让很多天文学家都没有心理准备,在我的心中,诺奖他们是迟早能获得的,只不过来的比预想中早了一些。所以我想,可能这也是诺奖评委会为了激励系外行星和外星生命探索,同时让公众更多了解这一领域的方式。

比所在研究领域的前辈获奖更令人开心的是,未来大型的空间地面望远镜,将用更先进的设备进一步深入细致地研究我们近邻的系外行星,期待人类能够有一天揭开它们上面生命存在的奥秘。

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