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感理性详细解读2019年诺贝尔物理学奖II-关于系外行星:观测、小尺度、到哪去、不负有心 精选

已有 2099 次阅读 2019-10-9 13:22 |个人分类:科普文章|系统分类:科普集锦| 诺贝尔物理学奖, 2019, 解读, 系外行星

三、关于系外行星:观测、小尺度、到哪去、不负有心

此次诺奖的另一半授予了一对师生——导师米歇尔·迈耶和学生迪迪埃·奎洛斯,为了表彰他们发现了围绕太阳型恒星运行的系外行星。具体的工作是1995年,他们一起发现了第一个环绕类太阳恒星飞马座51的行星飞马座51b

 图6-迈耶和奎洛兹观测发现飞马座51b的观测室门口.jpeg

7:迈耶和奎洛兹观测发现飞马座51b的观测室门口,图片来源:Josselin Desmars

1 探测系外行星真的很难

系外行星指太阳系外的行星。有两个重要原因使得系外行星的探测很困难。第一,行星本身不发光,而是靠反射恒星的光,它的亮度与恒星相比太弱太弱;第二,行星和恒星彼此相距很近,就如同在一个大探照灯边上的飞蛾。

在太阳系中,木星已经是最大的大行星了,而且距离太阳也算是比较远的啦。让我们来看看,假设从太阳临近的恒星周围来看向太阳系,能不能分辨出木星。

假设从太阳系周围的其它恒星来看木星和太阳,如在300多光年之外,木星和太阳之间的距离就约相当于半角秒,1角秒相当于1/3600度。木星和太阳在光学波段上,亮度相差可达10亿倍。要分辨出如此靠近且亮度差距那么大的系统中的暗行星,难度之大,难以想象。

2 探测正常恒星周围的系外行星前传

19世纪中期,光谱技术应用到天文观测,使天文学家们对诸如温度、元素组成、运动等天体性质有了更多的认识。

20世纪上半叶,随着对恒星的认识加深,天文学家们意识到一方面恒星与太阳相似,均为氢氦主导的气体球;另一方面,恒星在质量、颜色、亮度和元素组成等性质上多种多样。

尽管性质多种多样,但与太阳的相似性不禁让天文学家们开始思索,其它恒星周围是否也存在着行星呢?因此从1940年代,他们便开始寻找系外行星。

虽然早在1989年就有天文学家表示,他们发现了一颗10倍于木星质量的天体在围绕一个类似太阳的恒星运动,但当时系外行星的看法未获得普遍认可。

直到1992年,天文学家们在一颗毫秒脉冲星周围发现了两颗行星;到了1994年,还证实了存在第三颗行星。这三颗行星是最早确认发现的系外行星。毫秒脉冲星周围的行星是毫秒脉冲星强烈的高能粒子风和辐射将伴星外层物质剥蚀后形成的,因此不可能有生命存在。但是该系外行星系统的发现解开了人类发现系外行星新的篇章。

3 探测正常恒星周围的系外行星

在法国南部的Haute-Provence天文台,一架口径为1.93米的望远镜安装了一台自制的光谱仪ELODIE。1993年,光谱仪的观测精度接近13米/秒,随后经改进,精度提升至可探测到恒星7米/秒的运动。

迈耶和他的学生奎洛兹就是利用这套设备,开发了新的观测技术,去搜寻系外行星。他们采用的方法是视向速度法,当光源朝向观测者运动时,光的频率增大,颜色变蓝,称作蓝移;反之称作红移。

我们经常听说,行星绕着恒星转,更准确的说法,是它们相互围绕着公共的质心绕转。行星的运动,会带来恒星的周期性运动,但所造成的影响是微小的。木星大小的行星给太阳带来的运动只有约每秒13米,而地球带来的只有约每秒9厘米。高精度光谱技术的加入,带来了明朗的曙光,让科学家们能捕捉到恒星速度在视线方向上的分量——视向速度,从而判断它的周围是否有行星,帮助估算出行星的质量。

1995年10月,迈耶和奎洛兹宣布探测到了一颗正常恒星——飞马座51周围的行星飞马座51b,飞马座51与太阳属于同一光谱型,距离我们约50光年。飞马座51b造成了主星的视向速度影响是50米/秒,比木星给太阳的运动带来的影响更大。他们估算出,该行星的质量约为木星的一半,到主星的距离很近,相当于太阳系中水星轨道半径的14%,也因此表面温度很高,能达到1000多摄氏度,因此被称作热木星。

 图7-系外行星飞马座51b和它的主星的艺术想象图.jpg

图7:系外行星飞马座51b和它的主星的艺术想象图,图片版权:ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger

 

耶和奎洛发现公布之后,不久便得到了另一个团组的确认。这证明了在太阳系之外的正常恒星周也存在行星系,我可以使用到更多的系外行星。如今,我们已发现了4100多颗系外行星,其中近30%是通过视向速度法发现。而视向速度法的精度也已经提升到0.7米每秒。

在接受媒体采访时,迈耶表示,此次获奖真是一个美好的惊喜。24年前的发现不是在一个特别的时刻立即就做出的发现,而是要收集好几个月的观测数据,确信没有问题后,再发布结果。他们的发现是有关系外行星,在问及何时能发现系外生命时,他的回答是,我们知道,想要找到系外生命,应该去关注怎样的信号,一定程度上也知道该如何努力,但技术上确实困难重重,但他对将来该领域的发展不用态度消极,要积极对待,继续努力。

奎洛兹的采访感言很有意思,“其实今天早上还挺悲剧,自行车出故障了。听说获奖时,刚开始我的大脑还一片空白,走出办公室,看到同事们为我鼓掌,哦,看来是真的,我成为诺奖获得者之一了。”他开玩笑说,他可以买一辆新自行车了。他特别说,家庭是他的支柱,他努力工作,因为他对他的工作充满激情,他的家人理解这是他的世界,非常支持他。他的同事们评价他是个很有工作激情的人,在为整个领域努力,而不是仅仅为他自己工作。

四、总结

皮伯斯发展的理论框架构成了“现代理解从大爆炸一直到今天的宇宙历史的理论基础”,为理解宇宙演化做出了贡献。1978年诺贝尔物理学奖颁发给微波背景辐射的发现,2006年花落观测上微波背景辐射的黑体形式和各向异性的发现。此次颁发给理论工作,算是对微波背景理论工作的纪念,算一份迟到的颁奖。

迈耶和奎洛兹1995年的发现,开启了一个系外行星探测的新领域,让大家意识到太阳系之外还有普通恒星周围存在行星,并让大家知道技术上是可行的。此外对于行星系统的形成理论带来了挑战,对于太阳系的形成理论和我们在宇宙中的位置有着重要的意义。

皮伯斯和他所在的团队关注的是微波背景辐射的探测,迈耶和奎洛兹关注的是系外行星的探测,两者的探测难度在想法提出的时候都是难以想象的。最终这些发现其实正说明了,基础科学研究和技术的发展是相互促进的,正因为基础科学研究的需求,促使了新技术的发展,而新技术的发展促进了新发现;再拔高一点,前沿基础科学研究的新发现离不开整个国家的工业实力。

于个人或一个团队,笔者非常认可和欣赏他们采访中不断强调的面对困难、“不要轻易下负面的结论。他们相信,选择一条道路,然后就要自信地坚持走。也许,要做出好的工作,我们很需要自信和不畏难,踏出舒适区。

中国天文界的很多老师和同学,他们有着良好的学术基础,热情高涨,不怕困难,善于学习,笔者真心相信和祝愿未来中国的天文学一定会更强。



2019年诺贝尔奖
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3 朱伯靖 强涛 孔梅

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