諾獎研究改變了我們對宇宙和生命的認知

2019-10-09來源：科技日報作者：劉 霞

圖片來源：諾貝爾獎官網

早在2000多年前，偉大的詩人屈原就在《天問》中寫道：「遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？」試圖追尋宇宙誕生之理。

宇宙從何而來？又如何在近140億年間演變成現在這個曼妙多姿而又神秘莫測的樣子的？我們在宇宙中是獨一無二的嗎？其他星球上是否存在生命？這是縈繞在所有人心頭的「天問」。而今年諾貝爾物理學獎得主的研究將有助於回答這些亙古謎團。

詹姆斯·皮布爾斯的研究改變了我們對宇宙結構和宇宙歷史的認識；米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲則讓我們首次管窺一顆圍繞類似太陽的恆星旋轉的系外行星的「芳容」，翻開了天文學的新篇章。

他的理論框架，奠定現代宇宙學基礎

詹姆斯·皮布爾斯對物理宇宙學的深刻見解豐富了整個宇宙學研究領域，他的研究也使宇宙學在過去50年間演變為一門嚴肅的科學。他的理論框架自20世紀60年代中期發展起來，是我們現在認識和理解宇宙的基礎。而自1970年以來，他就被廣泛認為是世界領先的理論宇宙學家。他對原始核合成、暗物質、宇宙微波背景和結構形成等領域做出了理論貢獻。

皮布爾斯也為宇宙大爆炸模型做出了許多重要貢獻。大爆炸模型從大約140億年前宇宙誕生的那一刻開始描述宇宙。

該理論認為，鴻蒙之初，混沌一片，那時的宇宙熾熱且稠密。大爆炸後，宇宙一直在膨脹，變得越來越大，越來越冷。大爆炸發生僅40萬年後，宇宙變得透明，光線得以穿越太空。即使在今天，這種古老的輻射——宇宙微波背景輻射仍環繞在我們周圍，身負諸多宇宙奧秘，等待我們去揭示。皮布爾斯能夠藉助他的理論工具和計算方法，來解釋這些來自宇宙誕生之初的「餘暉」並發現新的物理過程。

結果，宇宙大爆炸模型向我們展示了這樣一個宇宙：其中只有5%是我們已知的物質，這些物質包括日月星辰、山川河流、風花雪月以及我們這些芸芸眾生等等。而另外95%是未知的暗物質和暗能量。暗能量和暗物質是現代物理學的未解之謎，揭示它們的「廬山真面目」是我們面臨的巨大挑戰。

在飛馬星座，人們發現了太陽系外的第一顆圍繞類日恆星運行的行星飛馬座51b。 圖片來源：瑞典皇家科學院

他們發現首顆系外行星，引發天文學革命

1995年10月，米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲宣布，他們首次在太陽系外發現了一顆行星，圍繞著我們銀河系中一顆類似太陽的恆星旋轉。

在位於法國南部的普羅旺斯高級天文臺，他們使用定製的儀器發現了飛馬座51b（51 Pegasi b），這是一顆位於飛馬座、距離地球約50.9光年、軌道周期為4.2天的系外行星。它是人類發現的第一顆圍繞類似太陽的恆星運轉的系外行星，也是一顆與太陽系最大的天然氣態巨行星木星相當的氣態行星。它的出現挑戰了當時公認的行星形成觀點。

一石激起千層浪！這一發現如同哥倫布發現新大陸，引發了天文學領域的一場革命，此後，科學家們在銀河系中發現了4000多顆系外行星。而且，不斷有新奇的美麗新世界「現形」，其大小、外觀和軌道各異，向我們展示了宇宙的豐富多彩與曼妙多姿。

這些系外行星挑戰了我們關於行星系統的先入為主的觀念，並迫使科學家們修改關於行星起源背後物理過程的理論。

搜尋系外行星的腳步並不止歇！美國國家航空航天局（NASA）的「凌日系外行星勘探衛星」（TESS）目前正在鄰近恆星周圍尋找可能支持生命的新世界；2021年，新的「系外行星捕手」、接替哈勃的新一代太空望遠鏡——詹姆斯韋伯太空望遠鏡（KWST）將要上天；歐洲專門用於系外行星大氣研究的ARIEL望遠鏡也計劃於2028年升空；此外，NASA已經開始制訂建造新一代太空望遠鏡——「先進技術大孔徑太空望遠鏡」（ATLAST）的計劃，該望遠鏡也旨在搜索系外生命。可以想像，在這些超級望遠鏡的「圍追堵截」下，未來將有更多系外行星「現形」。

而且，新一代空間望遠鏡使研究更暗弱的系外行星大氣成為可能，更大樣本的觀測將幫助人類理解系外行星（尤其是宜居帶系外行星）的組成和大氣，是否其他星球上還存在生命這一永恆問題的答案也有望被揭曉。NASA就曾經宣稱，我們有能力在今後20年中找到外星生命，它很可能就在我們的太陽系之外。

這三位諾貝爾物理學獎獲得者的智慧改變了我們對宇宙的看法。皮布爾斯的理論發現有助於我們理解大爆炸之後宇宙的演變；而馬約爾和奎洛茲則對我們的宇宙鄰居進行了探索，開啟了我們尋找未知行星以及未知生命的旅程，他們的發現永遠改變了我們對自身在宇宙中所處位置的認識。