寻找茫茫宇宙中的新家园

杨先碧

“我是谁”“我从哪里来”“我要到哪里去”，这些被称为“人生3大终极疑问”，是关乎人类命运的重大问题，同时也是科学家要解决的问题。从某种角度上来看，3大问题与天文学的研究密切相关：“我是谁”与人类在宇宙中的地位相关，“我从哪里来”与宇宙和太阳系的起源相关，而“我要到哪里去”与人类未来的星际旅行相关。

我们所生活的宇宙从哪里来？宇宙中还有没有其他类似地球的星球？因為在解答这两个问题方面做出了突出的贡献.3名天文学家获得了2019年诺贝尔物理学奖，他们分别是美国天文学家詹姆斯·皮布尔斯、瑞士天文学家米歇尔·梅厄和迪迪埃·奎洛兹。他们的研究让人类移民外星的梦想有了科学依据，未来或许我们可以去往另一个地球，建设适合人类生存的新家园。

字宙起源的证据

1965年， 《天体物理杂志》发表了来自美国普林斯顿大学的迪克、皮布尔斯、罗尔以及威尔金森的论文《宇宙黑体辐射》，这篇论文详细讨论了宇宙微波背景辐射的温度。在论文发表后的第54年，其中3位作者都已经去世，而健在的皮布尔斯幸运地获得了诺贝尔奖。

宇宙微波背景辐射的温度，当年看起来似乎并不起眼的研究，为何会获得诺贝尔评奖委员会的青睐呢？这是因为宇宙背景辐射本身很重要，它是宇宙起源的重要证据。利用传统的光学望远镜观察，恒星和星系之间的空间（就像图画的背景）一片漆黑，然而，利用灵敏的辐射望远镜可以发现，太空中存在微弱的背景辐射，且在各个方向上几乎一模一样，与任何恒星、星系或其他对象都毫无关系。宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸遗留下来的热辐射，是一种充满整个宇宙的微波电磁辐射。

以前，人们不知道宇宙是怎么起源的。20世纪20年代，天文学家根据推理和计算，提出宇宙起源于一个奇点的大爆炸。也就是说，大爆炸之前是一片虚空，这片虚空中存在一个肉眼都看不见的奇点。这个奇点有无限小的体积和无限大的密度，突然有一天它炸开了，逐渐形成现在的宇宙。这就是宇宙大爆炸假说。这个假说听起来有些玄幻，最初也没有获得广泛认可，但是不断有证据证明这个假说很可能是正确的，于是变成宇宙起源的主流假说。在那些证据中，宇宙微波背景辐射特别重要，因为它是大爆炸的印记。

宇宙大爆炸之后、恒星形成之前，宇宙的范围还较小，其中分布着温度极高、密度极大的气体，宇宙随着这些气体向外扩散而逐渐膨胀，宇宙温度开始降低。这究竟有多低呢？皮布尔斯和他的同事计算发现，宇宙的平均温度只有3K，也就是比绝对零度高3度，相当于-270℃。

宇宙微波背景辐射的相关研究奠定了大爆炸宇宙学的科学地位，让其他理论假说黯然失色。

在皮布尔斯获奖之前，有两届诺贝尔物理学奖颁给宇宙微波背景辐射的相关研究。1964年，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊探测到宇宙微波背景辐射的信号，因此获得1978年诺贝尔物理学奖。另一次是2006年，美国科学家约翰.马瑟和乔治-斯穆特因发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而获奖。

皮布尔斯后来对大爆炸核合成、暗物质和暗能量等领域继续做出重要的理论贡献，为宇宙学中几乎所有现代研究奠定了基础，将一个高度猜测性的领域变成了一门精密科学，被誉为领先世界的理论宇宙学家之一。皮布尔斯给年轻科学家的建议是：“希望你们是因为热爱科学而从事科学研究，是因为对科学着迷才坚守在这里。”

寻找太阳系以外的行星

太阳周围有8大行星，还有很多个小行星。那么，像太阳一样的其他恒星周围是否也有行星呢？如果我们按照常理推测，那肯定是有的。许多科学先驱也曾预言，满天繁星中，一定有许多恒星拥有绕它们旋转的行星。但是，科学结论不能靠预言来推定，更不能靠常理来确认，它需要按照科学规律所找到的证据。

如果说皮布尔斯研究的是宇宙起源这样宏大的问题，那么梅厄和奎洛兹则研究的是相对具体的问题。他们开创性的贡献是利用间接观测的手段发现了其他恒星周围也有行星。

或许有人会问，我们望远镜那么先进，难道连太阳系外的一颗行星也看不到吗？真的不行！我们身处太阳系中，所以能看到太阳系内的水星、金星和火星等其他行星，但是相对于其他恒星，系外行星反射的光很弱，加之距离我们遥远，而离恒星相对很近，这会让它们完全隐藏在恒星的光芒之下。打个比方来说，如果我们自己的汽车开了远光灯，那么附近的东西都能看得见，这个车灯就好比是太阳;如果是别人的汽车开了远光灯照过来，我们会感觉晃眼，难以看清那个车灯附近的物体，那个车灯就好比是其他恒星。

既然不能直接观测，那就采取间接的方法吧。梅厄和奎洛兹利用的是恒星光谱来进行分析。如果恒星周围有一颗行星，会对恒星光谱产生一定的改变，他们就通过这种改变来确认恒星周围是否有行星，甚至可以由此探测到行星的大小、距离等相关信息。

行星为什么可以对恒星的光谱产生影响呢？这是因为万有引力在起作用。一颗恒星对行星产生引力作用的同时，行星也会对之产生一个同样大的引力，这会导致恒星的位置发生微弱变化。相对我们地球上的观测者来说，恒星位置的变化会体现在光谱上，简单来说就体现在光的颜色（频率）上。如果一颗恒星稍稍远离我们，它的光就会发生红移，即光的频率降低，整个光谱的颜色向红色一端移动;与此相反，如果向我们靠近的话，则发生蓝移。

1995年，梅厄和奎洛兹发现了在太阳系外围绕着飞马座51恒星公转的行星“飞马座51b”，距离地球约50光年。这是一颗与木星相仿的气态行星，质量约是木星的一半，体积约是木星的两倍，表面温度约1000℃。

飞马座5lb的发现是天文学上的一座里程碑，它是人类发现的第一颗围绕类似太阳的恒星公转的系外行星，其重要性堪比历史上的哥伦布发现新大陆。此后，其他天文学家以梅厄和奎洛兹开创的方法为起点，发展出更多寻找系外行星的方法。1995年以来，天文学家找到4100多颗系外行星，它们正以各异的形态震惊着世人。

未来的新家园

3位科学家的发现都属于理论性的，看似和实际应用没有任何关系。其实，他们的发现涉及到一个极为重要的现实问题，即我们往哪里去的问题。随着地球上人口数量不断增多，地球也越来越难以承载如此多人的生存需求。人类的未来不仅仅会在地球上更好地发展，而且会飞向遥远的星辰，寻找新的家园。

根据皮布尔斯的宇宙模型，其他科学家从宇宙微波背景中推测出了宇宙的成分：构成行星和人类的普通物质仅占宇宙总物质量的5%，剩下的是26%的暗物质和69%的暗能量。皮布尔斯的研究成果为未来的星际航行提供重要的理论指导，人们可以据此制造出更先进的飞船，快速抵达其他星球。

“宇宙中还有其他的世界吗？这是个非常古老的问题，哲学家们对此争论不休。”梅厄在接受记者采访时说，“我们不断寻找离我们最近的行星，它们可能与地球相似。我和同事们开启了寻找系外行星的研究，证明了研究它们是可能的。”

梅厄和奎洛兹的发现开启了系外行星探测的热潮，让大家意识到太阳系之外还有不少类似地球的星球存在。随着天文学家对系外行星的不断探索，人类有望在将来绘制一张详尽的星空地图，我们可以从中找到“星际高速航线”的休息区和目的地，这对未来的星际旅游和星际移民都将有极大的帮助。

获奖者简介

詹姆斯·皮布尔斯，1935年4月25日出生于加拿大温尼伯：1958年，在加拿大曼尼托巴大学获得学士学位;1962年，在美国普林斯顿大学获得博士学位：现为普林斯顿大学阿尔伯特·爱因斯坦荣誉科学教授。

米歇尔·梅厄，1942年出生于瑞士洛桑;1966年，在瑞士洛桑大学取得物理学位：1971年获得日内瓦大学博士学位：曾在英国剑桥的天文台、智利的欧洲南方天文台和夏威夷的夏威夷大学天文研究所进行研究：目前担任日内瓦大学教授。

迪迪埃·奎洛兹，1966年2月23日出生于瑞士：1990年，获得瑞士日内瓦大学物理学硕士学位：1995年，获得日内瓦大学物理学博士学位：目前担任日内瓦大学教授，兼任剑桥大学教授、剑桥三一学院研究员。