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    發布時間:2019-10-13 14:10

    2019年10月8日,2019年的諾貝爾物理學獎新鮮出爐。這個獎項由美國普林斯頓大學教授詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles )、瑞士日內瓦大學天文教授米歇爾·梅耶爾(Michel Mayor),以及他的學生迪迪埃·奎洛茲(Didier Queloz)共同獲得。

    諾貝爾獎的每個獎項獎金為900萬瑞典克朗(約合人民幣 697 萬元)),其中、詹姆斯教授因在“物理宇宙學方面的理論發現”獲得一半獎金。而米歇爾·梅耶爾和迪迪埃·奎洛茲師徒因“發現太陽系外繞日行星”而平分另外一半獎金。

    由于諾貝爾獎在世界范圍內的有著舉足輕重的地位,其評選的苛刻程度也是著名的。所以每一位諾獎得主的背后都有一段有趣故事。今天我們就先來說說梅耶爾和奎洛茲兩師徒的故事。

    1995年底,這兩師徒達成了“發現太陽系外繞日行星”的成就,簡單的說:他們發明了一種方法發現了一顆名為飛馬座51b的行星。它圍繞一顆名叫飛馬座51的恒星公轉(與太陽相距50光年)。更重要的是飛馬座 51這顆恒星與太陽一樣正值壯年。而之前,天文學家觀測到的母恒星不是已經死亡的脈沖星,就是步入暮年的紅巨星。

    這是一次劃時代的重大發現,著名的《紐約時報》甚至把梅耶爾和奎洛茲發現系外行星這件事與哥倫布發現美洲大陸相提并論,稱這對師徒為“新世界的發現者”。

    發現系外行星到底有多難?

    1781年以前人類知道的大行星數目是6,到了1920年這個數字才艱難地增加到10(這其中還有一個冥王星在其后被票選排除出行星序列)。然而這些行星都是太陽系內的,對于系外行星的探索直到上個世紀的九十年代才有了一些進展。

    尋找系外行星是一件極其困難的事情。原因很簡單:行星本身并不發光,而只能反射恒星的光芒。這也就意味著行星的絕對亮度非常非常微弱。另外一方面系外的恒星與地球之間的距離都是以光年計的。在相距如此遙遠的情況下,系外行星反射的那點可憐的微光肯定會被它所環繞的恒星的光芒所掩蓋。

    這就如同站在你家樓頂面在城市霓虹燈中找地上的一只蟲子那樣。事實上,在地球上用望遠鏡觀察系外行星幾乎是不可能的。

    通過現代天文學知識我們都知道:太陽只是銀河系中一顆普普通通的的恒星,那么太陽系在銀河系中也肯定不是獨一無二的。但數百年來,我們卻沒辦法證明另外一顆恒星周圍還有行星存在。一直到了20世紀90年代,瑞典的這對師徒才橫空出世,用相當有利的證據證明了系外行星的存在。

    師徒倆的絕招:視向速度法

    讀者們可能就會問了:這師徒用了什么辦法。搞定了天文學界花了幾百年都沒有解開的這個謎底呢?實際上,他們研究出了一種視向速度法。

    這個方法利用到光的多普勒移動效應:假設一顆恒星周圍真的存在一顆行星,恒星和行星就會構成一個彼此繞轉的獨立系統。就像太陽和地球那樣。 由于彼此旋轉的存在,當行星離地球遠去時,恒星就會略微靠近地球。此時,恒星發出的光就會發生輕微的藍移。反之,當行星向地球飛來時,恒星就會略微遠離地球;此時恒星發出的光就會發生輕微紅移。

    如此一來,如果一顆恒星的周圍存在一顆行星。這顆恒星的光譜就會出現周期性藍移和紅移交替的現象。科學家只要觀察一顆恒星光譜是否出現這種周期性的藍移和紅移交替的現象,就可以斷定這顆恒星是否擁有一顆行星。

    通過視向速度方法,觀測者還可以估計行星的質量。行星的質量越大,恒星的多普勒頻移就越明顯。例如,飛馬座51b就是一顆和木星大小接近的巨大行星。但它和主星的距離只有800萬千米,差不多是日地距離的的1/20。由于距離主星非常近,飛馬座51b的表面溫度可能達到1000攝氏度以上。公轉周期只有4.2天。相比比較寒冷的木星,行星學家們稱這些靠近主星的大個子為熱木星。

    之后的20多年時間里,天文學家們追隨著梅耶爾和奎洛茲的腳步,陸續發現了將近4000可系外行星。其中有大約有1/3都是類似的“熱木星”。

    師徒倆一波三折的獲獎經歷

    梅耶爾和奎洛茲師徒發布論文展示他們的研究結果時。起初并不為得到天文學界的認可——因為它動搖了現存的理論,太過奇特,很難讓人相信。

    不過幸運的是,當他們在佛羅倫薩的會議上進行報告時,另外兩名天文學家杰弗里·馬西(Geoffrey Marcy)與保羅·巴特勒(Paul Butler)也在用望遠鏡觀測。就第一時間對他們的理論進行了核實,很快證實了這一理論的真實性。馬西后來回憶道,當時他們也不怎么相信這套理論的真實性,而在短短幾天之后當正確結果就擺在他面前時,他自己也十分驚訝。

    ▲杰弗里·馬西

    事實上這位曾任職于加州大學伯克利分校的馬西,也曾是諾貝爾獎的最熱候選人之一。馬西對系外行星的研究甚至比梅耶爾師徒早了2年左右。當梅耶爾師徒公布他們的研究結果時,馬西的電腦里已經存了好幾個太陽系外行星的數據,可他當時缺乏足夠的算力去處理這些數據,導致成果晚了兩個月。結果被梅耶爾師徒捷足先登。

    雖然沒有拔得頭籌,但馬西是發現系外行星最多的人。在人類最初發現的100顆系外行星中,就有超過70顆是他和他的團隊發現的。

    馬西還發明了另外一種探測系外行星的方法:凌星法。如今凌星法已經超過了視向速度法,成為尋找系外行星的頭號利器。

    凌星法的原理其實不難:了解過太陽系的朋友都知道,整個太陽系內的天體基本都處在同一個平面上。同樣的,整個銀河系內的天體也都基本處于同一個平面上。這意味著太陽系外的恒星如果擁有一個行星,那么此行星圍繞此恒星旋轉的平面,就不太可能與我們看這顆恒星的視線方向垂直。 如此,當這顆行星運行到地球與恒星之間的時候,就會擋住恒星發出的部分光芒。從而使此恒星的視星等(天文學術語,是指觀測者用肉眼所看到的星體亮度)在一段時間內會出現微小的下降,而當行星運行到其他地方時,此恒星的視星等又會恢復正常。

    由于行星總是會以一個固定周期繞恒星旋轉。如果我們觀察到某顆恒星的視星等總是周期性的下降(隨后又恢復正常)。就可以斷定這款恒星一定擁有自己的行星。這種探測系外行星的方法比視向速度法更方便快捷。在尋找系外行星效率上的壓倒性優勢。

    由于發明了凌星法,馬西一度擠掉了奎洛茲。成為和梅耶爾并駕齊驅的系外行星探索領域的標志性人物。如果劇情照此演下去,去諾貝爾晚會上領獎的應該是梅耶爾和馬西。

    但馬西最終沒有奪得諾貝爾獎,原因是因為性丑聞

    2015年,在被4位女士投訴之后,加州大學伯克利分校對馬西進行了為期6個月的調查。調查結果顯示,在過去的20年間,馬西至少對7名女性進行過性騷擾。隨后,馬西通過網絡公開信道歉,并且辭去教職,從此在學術界銷聲匿跡。

    此次事件最大的受益者就是奎洛茲,因為馬西的出局。他得以和導師梅耶爾一起拿到了這個諾貝爾物理學獎。

    ▲學生迪迪埃·奎洛茲

    可見獲得諾貝爾獎除了努力和成就以外,還有一定的運氣成分。如果馬西能夠早兩個月發布自己的研究成果,再潔身自好一些。很可能就可以替代梅耶爾和奎洛茲師徒拿到那一半的諾貝爾獎金了。

    看到這里大家可能會問,另外一位諾獎得主——詹姆斯·皮布爾斯又是什么來路呢?他憑什么可以單獨獲得另外一半的獎金呢?實際上他的獲獎故事更有戲劇性,我們在下一篇會提到他的故事。




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