天体物理学的研究与宇宙的新图景——2019年诺贝尔物理学奖简介

本刊资料室

1 2019年诺贝尔物理学奖揭晓

2019年10月8日瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，2019年诺贝尔物理学奖授予美国普林斯顿大学吉姆·皮布尔斯(James Peebles，1935- )教授，表彰他“在物理宇宙学的理论发现”；以及瑞士日内瓦大学米歇尔·麦耶(Michel Mayor，1942- )教授和瑞士日内瓦大学教授兼英国剑桥大学迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz，1966- )教授，表彰他们“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”. 诺贝尔委员会表示：“他们更新了人们对宇宙结构和历史的认识，并首次发现了围绕其他类太阳恒星运行的系外行星.这些发现将永远改变我们对世界的认识.”

图1 吉姆·皮布尔斯

图2 米歇尔·麦耶

2 从静态宇宙观到演化宇宙观的历史进步

20世纪50年代以前，人类对宇宙的认识，仅停留在观察静态的宇宙.这种静态宇宙观认为：我们所观察到的天体都是“神”的创造物，没有自己演化、形成的历史(过程).20世纪40年代末，伽莫夫在宇宙膨胀模型的基础上，吸取20世纪初粒子物理的研究成果，提出大爆炸宇宙论，把演化的概念引入宇宙学的研究，开创了宇宙学发展的新时代，逐渐形成了一个演化宇宙的新图景.现代宇宙学认为：在大约140亿年前，宇宙处于温度极高(约1030K)的初始状态，从那个点开始，宇宙发生热爆炸，体积急速膨胀，温度不断变低，开始了演化过程.从微观来说，经历了高能粒子的相互作用、相互转化，中子、质子、氦核、化学元素、分子等的形成；从宇观来说，经过一系列演化过程，逐渐形成弥散的气状物质、星云、星系和恒星、行星而成为今天的状态.现代宇宙学还认为：目前，我们所知的宇宙物质只占整个宇宙物质的约5%，其余的约95%为暗物质与暗能量，对于人类来说，它们还是神秘而未知的(或知之甚少).

从静态宇宙观到演化宇宙观的历史进步，是世界各国物理学家、天文学家，乃至科学技术家共同努力的结果.其中，吉姆·皮布尔斯作出了独特的贡献.吉姆·皮布尔斯是一位加拿大裔的美国物理学家和理论宇宙学家，被广泛认定为“世界上领先的理论宇宙学家之一”，其对原始核合成、微波背景辐射、宇宙结构形成、暗物质与暗能量等做出了重要的理论贡献.最为突出的有：

(1)对微波背景辐射产生原因的说明

20世纪60年代，美国的微波电子学家彭齐亚斯和威尔孙在研究微波探测器性能时，发现探测器探测微波信号时会出现无法消除的背景噪声.排除了各种可能后，他们把这种背景噪声归结为来自太空的深处，但不清楚真正的原因.其实，其原因皮布尔斯早就做出：“大爆炸的宇宙起源会留下射电噪声的残余物”的理论预言.两位电子学家采用了这个解释，从而构成宇宙微波背景辐射的发现(1965年)，为大爆炸宇宙论提供了强有力的实验支持.

(2)对宇宙有关成份及结构的理论研究

20世纪60年代，宇宙微波背景辐射发现并确定后，皮布尔斯把当时有关粒子物理的知识与宇宙微波背景辐射中物质与辐射的比例结合起来，对大爆炸后合成的核同位数进行了详细计算.20世纪70年代，皮布尔斯开创了宇宙结构形成的理论探讨，阐明了今天宇宙中的星系、恒星、行星等是如何演变形成的.

(3)对暗物质、暗能量的有关猜测

早在20世纪30年代，天文学家就发现宇宙中存在着大量不可见的物质，用来保证星系或星团的稳定性.这种不可见物质称为暗物质.经估算，约占宇宙总物质的26%.加上已知的普通宇宙物质(各类天体等)5%，还有69%的剩余物质是什么？物理学家称其为暗能量，它是造成宇宙加速膨胀的原因.但暗能量在哪里呢？物理学家提出了种种猜测，众说纷纭.1984年，皮布尔斯提供了一种解决方案，他复活了爱因斯坦原来的一个思想：引力场方程中的宇宙常数项，即真空中的能量，具有对抗引力的性质.这样一来，普通物质加暗物质与暗能量就可以支撑一个平坦的宇宙.这个方案，目前得到不少物理学家的支持.

此外，吉姆·皮布尔斯编写过三本教科书，包括1971年的《物理宇宙学》，1980年的《宇宙的大规模结构》和1993年的《物理宇宙学原理》，均已成为该领域的标准参考书.

在过去的50年里，吉姆·皮布尔斯使用他的理论工具与计算，解释了来自宇宙的信息，对宇宙学的洞见，丰富了整个研究领域，为宇宙学的猜测转变为实证科学奠定了理论基础.

3 系外行星的发现开启了人类对宇宙的新认知

1994年，米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹发现了第一个太阳系外的行星，这颗系外行星处于我们所在的银河系中，环绕着的一颗类太阳的恒星51 Pegasi(飞马座51)旋转.这个系外行星，他们是在法国南部的上普罗旺斯天文台通过利用多普勒光谱仪技术观测到的.因为母恒星名为51 Pegasi(飞马座51)，环绕其旋转的行星则命名为51 Pegasi b(飞马座51b)，如图4所示.飞马座51b距离地球约50光年，质量只有木星的一半，但体积却是木星的两倍.这一发现令师徒二人非常兴奋但又困惑不已.要知道，太阳系中距离太阳最近的水星，公转周期也要88天，而这个比水星重将近3000倍的行星公转周期只有4天(每4天绕转一圈)；另外，其距母恒星飞马座51非常非常近(仅仅800万千米)，因而表面温度极高(天文学家给了它们一个形象的名字——热木星).人们很难想象与太阳系内八大行星迥异的热木星是如何形成的？这些现象及问题与当时天文学界的传统认知完全不同，不能不引起深思；也引起有的人对是否真的发现了系外行星的怀疑.为避免可能的失误，他们花了半年多的时间反复核查，排除结果中可能存在的错误.经反复核实后确认，观察到的系外行星无可怀疑，困惑原因可能出在传统观念的“保守”上.因此，1995年11月，师徒二人才把研究结果交《自然》杂志发表，正式宣布他们首次在类太阳恒星周围发现了系外行星——飞马座51b.

这一发现是天文学上的一场革命，掀起了寻找与研究系外行星的热潮.此后，陆续在银河系中发现了超过4000颗系外行星.这些行星有着千奇百怪的体积、形态和轨道，这些奇异的新世界仍在不断被发现.它们对我们关于行星系统的先入为主的观点(行星离恒星的距离不能太近等)形成了挑战，促使科学家们修正他们关于行星起源背后的物理过程的理论.

系外行星的发现，又一次引起人们对地外文明的关注，提出有关于问题与猜想.迪迪埃·奎洛兹认为，我们不是宇宙中唯一的生命，未来30年内，创造一台新机器，以便更好地理解系外行星发生的任何物理化学活动，是“现实的”设想.