Michel Mayor和Didier Queloz发现了首个环绕类太阳恒星的太阳系外行星。他们与理论宇宙学家James Peebles共享了今年的诺贝尔物理学奖。
宇宙学家James Peebles和天文学家Michel Mayor、Didier Queloz由于宇宙演化以及地球在其中扮演的角色上的发现获得了2019年的诺贝尔物理学奖。

宇宙学家James Peebles（左）和系外行星天文学家Michel Mayor(右）、Didier Queloz（中）共享了2019年的诺贝尔物理学奖。

图片来源: Torbj?rn Zadig/University of Cambridge/ Inamori Foundation
1995年，日内瓦大学的Mayor和他当时的学生Queloz宣布[1]发现了第一颗环绕类太阳恒星转动的太阳系外行星——开启了一个现在最热门的天文学领域。他们通过这颗行星对飞马座51（51 Pegasi）微小的引力探测到了这颗行星。现在，人们仍然在使用这项技术研究已知的超过4000颗太阳系外行星。


James Peebles开发了一个理论框架。诺贝尔奖委员会评论该框架构成了“现代理解从大爆炸一直到今天的宇宙历史的理论基础”。


Peebles帮助建立了宇宙微波背景（CMB）的理论基础，CMB是大爆炸的“余晖”。他还帮助建立了现今宇宙演化的“标准模型”。在标准模型中，被称为暗物质的神秘物质对宇宙中大型结构的形成起到了关键作用，例如星系和星系团。


Mayor和Queloz分别于1942年和1966年出生在瑞士，二人会分享900万瑞典克朗（合650万人民币）奖金的一半。1935年出生于加拿大的Peebles会获得另外一半。
意外的世界
西班牙高等科学研究理事会空间学院的天文学家Guillem Anglada-Escudé说，Mayor和Queloz的发现“开启了现代系外行星科学”。


研究者们此前发现了一些环绕脉冲星——已经死亡的恒星的旋转核——的系外行星，但没有围绕太阳一样的恒星旋转的。天文学家希望这之中有适居的行星。


这两个人的发现对天文学界来说是个意外。他们所探测到的行星飞马座51b是一个气态巨行星。天文学家原本认为这种行星会围绕太阳系靠外的轨道运转。但是两人发现它和它的恒星之间的距离是水星与太阳间距离的十分之一。这一发现是一个初步信号：其他行星系统可能并不遵循太阳系的模式。


当时有几个小组都在进行类似的观测，但是Mayor和Queloz是第一组实际探测到的，因为他们撒下了一张更宽的网，系外行星天文学家Francesco Pepe说。“当他们在上普罗旺斯天文台（Observatoire de Haute-Provence）开始观测的时候，也就是最终找到飞马座51b的项目，他们并没有把精力集中在发现和太阳系相似的行星上。”Pepe说，他是日内瓦大学天文学系的系主任。特别是，他们的观测允许他们看到轨道极近的木星尺寸行星。“这就是区别。”


Anglada-Escudé说，这一发现十分杰出，因为几乎完全无可争议，并且迅速得到了确认。日内瓦大学的团队几乎立刻开始认真地扫描天空，并开启了一场寻找系外行星的“冷战”，对手是加州大学伯克利分校的一个团队。后者使用了一项类似的技术来探测行星，也是最早确认Mayor和Queloz两人的发现。伯克利团队的负责人Geoffrey Marcy曾经被认为是诺贝尔奖的一个竞争者。他2015年从伯克利辞职，因为该校的一项调查认定他违反了性骚扰政策。


Mayor和Queloz——后者在剑桥大学和日内瓦大学同时任职——都因为能够建造极为精确的仪器而出名。他们开发的光谱仪能够观测到恒星受到行星影响时摆动所造成的微小光谱偏移。这种方法被称为径向速度法，不仅可以探测系外行星，也可以估计系外行星的质量。今天，天文学家有了更多的方法来寻找系外行星，研究其大气和可能的系外卫星。人们也发现了许多类地行星，其中就包括今年9月发现的一颗两倍于地球大小的行星，其大气中有水的痕迹。


他们是两位“超级科学家”，他们和本领域内越来越多的研究者一起为发展一个全新的研究领域铺平了道路，英国圣安德鲁斯大学的系外行星研究者Christiane Helling说。Queloz“一直都在为拓展和支持整个学界而努力，而不只是为他个人的成功”，她补充道。
探索第一道光
另一方面，Peebles的理论允许宇宙学家理解CMB，物理学家从中获得了关于宇宙起源的大部分知识。


“如果没有James Peebles的理论发现，过去20年对这一辐射的高精度测量几乎就没办法告诉我们任何事了。”斯德哥尔摩大学的分子物理学家、2019年诺贝尔物理学奖委员会主席Mats Larsson在揭晓获奖者时说。


“这是早就应当颁发的奖项。”巴黎天体物理研究所的天体物理学家Fran?ois Bouchet如此评论Peebles的获奖。他说Peebles几乎在宇宙学的所有分支上都留下了印记，他使用基于物理学的计算，帮助为这一学科打下了坚实的基础。特别是在1970年[2]，Peebles是预测CMB形状的先驱。Bouchet是领导欧洲航天局普朗克任务的一名研究员，最近的十年里，该项目绘制出了至今为止最精确的CMB图。


Peebles帮助开发了被称为“冷暗物质”理论的宇宙演化模型[3]，其中描述了宇宙从热而稠密的开端是如何膨胀、冷却并形成各种宇宙结构的。这一模型再加上后来关于神秘的力“暗能量”的补充，就构成了现代宇宙学的标准框架。


虽然人们仍没能理解暗物质的准确本质，但几项对宇宙的高精度调查支持这一理论，其中就包括对CMB的研究和对大范围天域中星系的绘图。这一假说认为，如果暗物质是由亚原子粒子组成的，那么它们必然质量很大，速度相对较低。至今为止的观测基本排除了暗物质主要由较轻较快的粒子组成的模型。


普朗克任务和其他项目找到了Peebles预测的CMB特征。“天上确实有它们——是真的存在，不只是理论而已。”天体物理学家Rashid Sunyaev说。他是1970年进行过类似计算的苏联天体物理学家，现在在德国的马克斯·普朗克天体物理研究所工作。


“确定我们所在的宇宙正在演化是一项理论发现，但若没有证据就毫无意义——现在我们有了坚实的证据，说明宇宙真的是从一个热而稠密的状态膨胀而来的。”Peebles在得知获奖之后通过电话对记者说，“我们所依赖的就是这种理论和观测的结合。”


太阳系外行星和宇宙学研究分享同一个奖项很罕见，但这两种工作都“为认识人类在宇宙中的位置提供了一个崭新的视角”，Bouchet说。
参考文献：1. Mayor, M. & Queloz, D. Nature 378, 355–359 (1995).2. Peebles, P. J. E. & Yu, J. T. Astrophys. J. 162, 815 (1970).3. Peebles, P. J. E. Astrophys. J. 263, L1–L5 (1982).


原文以Physics Nobel goes to exoplanet and cosmology pioneers为标题
发表在2019年10月8日《自然》新闻上
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