2019年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置

陳學(xué)雷

①中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，北京 100101；②中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

1 皮布爾斯與物理宇宙學(xué)

1.1 早年經(jīng)歷

皮布爾斯(圖1)的貢獻(xiàn)在于物理宇宙學(xué)。宇宙學(xué)曾經(jīng)主要是一些簡單的哲學(xué)思辨，高度簡化和抽象的數(shù)學(xué)理論，加上一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)性的天文測(cè)量。而在皮布爾斯等人的努力下，它逐漸發(fā)展成一個(gè)有大量實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證的物理理論。

圖1 皮布爾斯(來自諾貝爾獎(jiǎng)網(wǎng)站)

皮布爾斯1935年出生于加拿大的曼尼托巴省，他的父親經(jīng)營農(nóng)產(chǎn)品生意，母親是位家庭婦女。少年時(shí)代的皮布爾斯只是個(gè)普通的男孩，和父親一樣，他喜歡動(dòng)手做木匠活、修理機(jī)械和園藝，也喜歡滑冰、跳舞。他所在的地區(qū)學(xué)校沒什么學(xué)業(yè)壓力，課上學(xué)習(xí)的內(nèi)容很少，皮布爾斯是直到進(jìn)了大學(xué)之后才知道世界上還有三角函數(shù)這種東西的！中學(xué)畢業(yè)后皮布爾斯進(jìn)入當(dāng)?shù)氐穆嵬邪痛髮W(xué)學(xué)習(xí)，一開始在工學(xué)院學(xué)習(xí)，準(zhǔn)備畢業(yè)后當(dāng)一名工程師。他的工程課程學(xué)得不錯(cuò)，不過在學(xué)習(xí)過程中他逐漸對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，因此后來轉(zhuǎn)為主修物理。無疑這時(shí)他已開始展現(xiàn)出自己的才華，老師們也注意到了他，有的勸他去普林斯頓大學(xué)深造，有的勸他去牛津大學(xué)。1958年從曼尼托巴大學(xué)畢業(yè)后，他最終選擇了去普林斯頓大學(xué)物理系讀研究生。此后，他的一生都在普林斯頓大學(xué)度過。

20世紀(jì)50年代末期，粒子物理的研究正突飛猛進(jìn)，皮布爾斯最初也想研究粒子物理，不過系里的粒子物理學(xué)家們對(duì)當(dāng)時(shí)只是個(gè)普通學(xué)生的皮布爾斯反應(yīng)平淡。恰在此時(shí)，他遇到了一位對(duì)他很熱情的老師，羅伯特·迪克(Robert Dicke，1916—1997)。迪克二戰(zhàn)期間從事雷達(dá)研究，發(fā)明了應(yīng)用廣泛的迪克輻射計(jì)、迪克微波開關(guān)等。戰(zhàn)后迪克在脈澤和激光的發(fā)明過程中也有許多貢獻(xiàn)。迪克成為皮布爾斯的導(dǎo)師，也是對(duì)他一生影響最大的學(xué)者。

20世紀(jì)50年代末，迪克對(duì)檢驗(yàn)引力產(chǎn)生了很大興趣。那時(shí)距愛因斯坦提出廣義相對(duì)論已經(jīng)過了40年，但這期間的廣義相對(duì)論研究主要是一些抽象的數(shù)學(xué)理論，其實(shí)驗(yàn)證據(jù)仍然局限于當(dāng)年的三大經(jīng)典檢驗(yàn)：引力紅移、光線偏折和水星進(jìn)動(dòng)。測(cè)量精度都不高。廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)等效原理的檢驗(yàn)也并不比19世紀(jì)厄缶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果好多少。迪克提出要設(shè)計(jì)更多富有創(chuàng)意的、更精密的實(shí)驗(yàn)，來檢驗(yàn)相對(duì)論的基本原理。對(duì)于三大經(jīng)典檢驗(yàn)，迪克也沒有放過。水星的進(jìn)動(dòng)當(dāng)時(shí)是廣義相對(duì)論最精密的檢驗(yàn)，但是迪克指出，如果考慮到太陽不是完美的球形，而是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的橢球，可能也能引起水星的進(jìn)動(dòng)，因此他著手測(cè)量水星橢率。同時(shí)，他也嘗試著提出與廣義相對(duì)論競爭的理論，比如一種引力常數(shù)可以變化的理論，即所謂Brans-Dicke理論，這個(gè)理論直到今天依舊被人們作為典型的修改引力理論進(jìn)行研究。每周五晚上迪克和他的博士后、研究生開組會(huì)，討論五花八門的各種巧妙檢驗(yàn)，從精細(xì)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量到太陽和行星的結(jié)構(gòu)，從隕石的同位素成分到月球激光測(cè)距，其思路之廣闊令人耳目一新。皮布爾斯也被這些組會(huì)的活躍氣氛所感染，雖然組會(huì)安排在周五晚上，他卻從不缺席。此時(shí)，普林斯頓物理系還有另一位廣義相對(duì)論大家，就是命名了“黑洞”、培養(yǎng)出眾多學(xué)生的惠勒(J. A.Wheeler)，他的研究主要在理論方面。迪克和惠勒的學(xué)生們也常?；ハ鄥⒓訉?duì)方的組會(huì)。在迪克指導(dǎo)下，皮布爾斯完成了他的博士論文，題目是檢驗(yàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是否真的是常數(shù)還是有可能隨時(shí)間改變。接著，皮布爾斯受到迪克研究太陽橢率的啟發(fā)，根據(jù)對(duì)行星自轉(zhuǎn)速度和橢率的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出了土星和木星等氣體巨行星有固體核心的結(jié)論。獲得博士學(xué)位后，皮布爾斯仍留在普林斯頓迪克的組里繼續(xù)開展研究。

1.2 發(fā)現(xiàn)大爆炸證據(jù)

20世紀(jì)60年代初，迪克的小組包括皮布爾斯在內(nèi)開始研究宇宙學(xué)。皮布爾斯閱讀了蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道和栗弗席茲《經(jīng)典場(chǎng)論》中關(guān)于宇宙學(xué)的內(nèi)容。盡管相對(duì)論宇宙學(xué)經(jīng)過了幾十年發(fā)展，但到此時(shí)為止其理論仍是高度抽象的?！督?jīng)典場(chǎng)論》給出了廣義相對(duì)論方程的解，但對(duì)于現(xiàn)實(shí)的宇宙是怎樣的、物質(zhì)的具體成分和性質(zhì)、觀測(cè)檢驗(yàn)等，則幾乎完全沒有涉及。之前勒梅特、伽莫夫提出了宇宙大爆炸理論，而英國的戈?duì)柕?、邦迪、霍伊爾等人基于哲學(xué)考慮提出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙理論。不過，對(duì)于許多科學(xué)家來說，這些理論所做的簡單假設(shè)并不讓人信服，很多人對(duì)這兩個(gè)理論都不相信。 另一方面，從天文觀測(cè)的角度來說，當(dāng)時(shí)的研究也非常有限。桑德奇(Alan Sandage)成為哈勃觀測(cè)工作的繼承人，他把(觀測(cè))宇宙學(xué)簡單地歸結(jié)為兩個(gè)數(shù)的測(cè)量：哈勃常數(shù)H0和宇宙加速度參數(shù)q0。當(dāng)時(shí)能進(jìn)行這方面測(cè)量的設(shè)備也寥寥無幾。

迪克此時(shí)考慮了循環(huán)宇宙模型，即宇宙可能處在不斷的膨脹，再收縮，再膨脹，再收縮的循環(huán)中。他意識(shí)到在這種循環(huán)中當(dāng)宇宙處在高度收縮的狀態(tài)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生高溫，此時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的光子，在宇宙膨脹中這些光子將遺留下來，紅移到微波波段。根據(jù)一些簡單的物理分析，推導(dǎo)出這些輻射可以構(gòu)成黑體輻射，而溫度隨著宇宙膨脹降低。其實(shí)，20年前迪克用他自己發(fā)明的迪克輻射計(jì)測(cè)量過天空的輻射背景，得出了背景溫度小于20 K的結(jié)論。此時(shí)，迪克讓組里本來研究月球激光測(cè)距的威爾金森(Wilkinson)和研究厄缶等效原理實(shí)驗(yàn)的柔爾(Roll)研制測(cè)量天空溫度的設(shè)備，而讓皮布爾斯研究其理論。皮布爾斯估計(jì)應(yīng)有一個(gè)10 K左右的宇宙微波背景輻射。此時(shí)他并不知道，早在1948年，伽莫夫的學(xué)生阿爾弗(Alpher)和赫爾曼(Herman)就預(yù)測(cè)應(yīng)該存在5 K的輻射，而伽莫夫本人后來又給出了一些略有不同的估計(jì)。皮布爾斯應(yīng)邀去約翰霍普金斯大學(xué)做報(bào)告，行前他詢問同事是否可以公開他們正在做的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，同事們都覺得可以：他們的實(shí)驗(yàn)已進(jìn)展到這樣一個(gè)階段，別人就算聽了報(bào)告后想要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，也不可能比他們更快了。

然而皮布爾斯并不知道的是，就在與他們同處新澤西州的貝爾實(shí)驗(yàn)室，兩位想做射電天文學(xué)研究的工程師彭齊亞斯(Penzias)和威爾遜(Wilson)(圖2)正在為他們遇到的一件怪事發(fā)愁。貝爾實(shí)驗(yàn)室有一臺(tái)天線，原來是用于做衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)的，不過此時(shí)衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)已結(jié)束。于是他們打算安裝上迪克輻射計(jì)，把它改造成射電望遠(yuǎn)鏡用于天文研究。但是，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)他們發(fā)現(xiàn)無論把天線指向何方，總是有一個(gè)不變的多余噪聲，遠(yuǎn)高于他們預(yù)期的儀器噪聲，這令他們困惑不已，這正是迪克想要尋找的宇宙微波背景輻射。一次，彭齊亞斯給一位射電天文學(xué)家伯克(Bernard Burke)打電話時(shí)提起這個(gè)問題，伯克想起他之前在坐飛機(jī)時(shí)恰與另一位射電天文學(xué)家、約翰霍普金斯大學(xué)的特納(Ken Turner)聊天，而特納是皮布爾斯的老朋友，聽了之前皮布爾斯的報(bào)告，留下了深刻印象并在聊天時(shí)告訴了伯克。于是，彭齊亞斯打電話給迪克，告訴了他這個(gè)消息。據(jù)說迪克正與小組成員們坐在一起，放下電話，迪克說：“我們被人搶先了”。后來，彭齊亞斯和威爾遜獲得了1978年度的諾貝尓物理學(xué)獎(jiǎng)，而預(yù)測(cè)了宇宙微波背景輻射的伽莫夫、阿爾弗、赫爾曼以及迪克都未能獲獎(jiǎng)。這令人頗為遺憾，但鑒于諾貝爾獎(jiǎng)最多授予三人的規(guī)定，恐怕諾獎(jiǎng)委員會(huì)也很難決定在直接發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的彭齊亞斯和威爾遜之外該如何再挑選一位。不過，皮布爾斯后來評(píng)論說，他認(rèn)為應(yīng)該把迪克也列入獲獎(jiǎng)名單，畢竟他不僅首先想到了要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，而且實(shí)驗(yàn)用到的關(guān)鍵技術(shù)迪克輻射計(jì)也是他發(fā)明的！

圖2 彭齊亞斯和威爾遜在他們的天線前

1.3 物理宇宙學(xué)

宇宙微波背景輻射被發(fā)現(xiàn)后，皮布爾斯繼續(xù)進(jìn)一步研究宇宙大爆炸中的物理過程。首先是大爆炸核合成的理論，即氫、氘、氦等原子核在大爆炸中形成的理論。這其中有一些結(jié)果伽莫夫、阿爾弗等人之前已經(jīng)得到過，但一方面當(dāng)年各種元素的宇宙豐度值并不完全清楚，另一方面伽莫夫等人曾希望在大爆炸中合成所有的元素，但這是無法做到的。經(jīng)過這些年的研究，人們已建立了恒星核反應(yīng)形成較重元素的理論，并認(rèn)識(shí)到大爆炸中合成的是輕元素，同時(shí)也獲得了輕元素如氦的豐度測(cè)量值，以及宇宙微波背景輻射的溫度。于是皮布爾斯討論了氦、氘等元素的豐度與宇宙學(xué)參數(shù)(比如重子密度)的關(guān)系，并與瓦格納(Robert Wagoner)一起開創(chuàng)了用輕元素豐度限制宇宙學(xué)模型的研究。用這些豐度，人們可以對(duì)宇宙學(xué)模型和參數(shù)給出有力的限制，從而成為宇宙學(xué)研究的一個(gè)重要工具。

在宇宙微波背景輻射方面，皮布爾斯首先指出，早期宇宙中這些光子的存在會(huì)影響星系的形成。當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)猜測(cè)，早期宇宙可能處在比較均勻的狀態(tài)，而后在引力作用下，微小擾動(dòng)被放大，逐漸形成星系。引力在小尺度上可以被氣體的壓強(qiáng)所平衡，但在金斯(Jeans)尺度以上則會(huì)有形成星系所需要的引力不穩(wěn)定性。皮布爾斯指出，盡管在今天宇宙微波背景輻射光子的密度幾乎可以忽略，但它們的密度正比于膨脹因子的負(fù)四次方，而普通物質(zhì)則是負(fù)三次方，因此當(dāng)我們上溯到足夠早的時(shí)期，宇宙的密度將被輻射所主宰，這時(shí)引力擾動(dòng)無法增長。另外，即使在此之后，氣體的溫度、電離度的演化也與這些光子的相互作用有關(guān)，而氣體溫度和電離度也會(huì)影響金斯尺度。因此，皮布爾斯也發(fā)展了大爆炸后等離子體復(fù)合的理論。

皮布爾斯和其他一些學(xué)者也開始研究當(dāng)物質(zhì)密度分布不完全均勻時(shí)，這些密度擾動(dòng)如何演化，以及它們所導(dǎo)致的宇宙微波背景輻射溫度各向異性。皮布爾斯和他的一個(gè)來自香港的留學(xué)生Jer-Tsang Yu (虞哲奘，后來回香港城市大學(xué)工作，未再做宇宙學(xué)研究)首次編制了定量計(jì)算宇宙微波背景輻射各向異性的程序。他也預(yù)測(cè)了宇宙大爆炸時(shí)隨機(jī)的密度擾動(dòng)將激發(fā)聲波振蕩，那些在大爆炸結(jié)束的時(shí)刻正振蕩到最大值的擾動(dòng)將會(huì)在特定尺度的宇宙微波背景輻射中留下印記。盡管在當(dāng)年這些效應(yīng)看上去都非常微小，但經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在精密測(cè)量的宇宙微波背景輻射角功率譜(圖3)中可以清晰地看到這些振蕩峰。皮布爾斯當(dāng)年的理論研究成為今日精密宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。

圖3 2018年普朗克衛(wèi)星發(fā)布的宇宙微波背景輻射溫度天圖(上)和角功率譜(下)

皮布爾斯喜愛給學(xué)生上課，當(dāng)時(shí)他也開設(shè)宇宙學(xué)課程，并在課程中講授宇宙學(xué)方面的最新研究成果。惠勒鼓勵(lì)皮布爾斯把他的講義寫成書，為此惠勒專門來旁聽皮布爾斯的課程，并仔細(xì)地寫下筆記，一學(xué)期課程結(jié)束后把他記下的字跡工整的筆記送給皮布爾斯。在惠勒的鼓勵(lì)下，皮布爾斯寫出了他影響巨大的《物理宇宙學(xué)》一書，并于1971年出版(1993年擴(kuò)充為《物理宇宙學(xué)原理》)。與早期僅僅從廣義相對(duì)論角度討論宇宙學(xué)的著作(比如《經(jīng)典場(chǎng)論》)不同，《物理宇宙學(xué)》討論了物質(zhì)、輻射等具體物理演化過程，以及元素豐度、宇宙微波背景輻射、大尺度結(jié)構(gòu)等可觀測(cè)量，宇宙學(xué)的骨架上現(xiàn)在有了血肉。

應(yīng)該指出，這一時(shí)期一些其他研究者對(duì)于發(fā)展物理宇宙學(xué)的原理也有貢獻(xiàn)，特別是蘇聯(lián)的澤多維奇(Zel’dovich)學(xué)派也獨(dú)立地做出了許多重要發(fā)現(xiàn)。不過，皮布爾斯確實(shí)是對(duì)物理宇宙學(xué)的發(fā)展貢獻(xiàn)最大的人。

1.4 大尺度結(jié)構(gòu)和暗物質(zhì)

圖4 根據(jù)里克巡天數(shù)據(jù)繪制的星系分布圖(上)和現(xiàn)代的SDSS-CMASS巡天得到的星系分布圖(下)

皮布爾斯除了從理論上分析宇宙擾動(dòng)的演化外，也開始研究實(shí)際的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。在皮布爾斯之前，其實(shí)也有一些學(xué)者做過大尺度結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析研究，不過皮布爾斯當(dāng)時(shí)并不了解。他從理論上研究了結(jié)構(gòu)是如何增長演化的，發(fā)展出了方格計(jì)數(shù)、相關(guān)函數(shù)、功率譜和高階相關(guān)函數(shù)等許多分析大尺度結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算和測(cè)量方法。他帶著學(xué)生，使用里克天文臺(tái)剛剛完成的當(dāng)時(shí)最大的星系巡天，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析(圖4)。分形理論的創(chuàng)始人曼德布勞特(Benoit Mandelbrot)曾主張星系分布是一種分形。皮布爾斯根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，分形只在一定的尺度上存在，在更大的尺度上宇宙的星系分布趨于均勻。其中一部分研究成果收集在他另一本著作《宇宙大尺度結(jié)構(gòu)》(The large scale structure of the universe)一書中。

在20世紀(jì)70年代初，天文學(xué)家們開始認(rèn)識(shí)到，在可被觀測(cè)的普通物質(zhì)之外，宇宙中還存在著大量的暗物質(zhì)。實(shí)際上，早在20世紀(jì)30年代，Zwicky 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)的引力遠(yuǎn)大于根據(jù)其亮度所做的估計(jì)，表明星系團(tuán)中可能存在暗物質(zhì)。在70年代，對(duì)星系的觀測(cè)表明，星系可見邊緣部分的旋轉(zhuǎn)速度并不像預(yù)期的那樣降低，而是基本保持不變，暗示在星系可見的部分之外還有不可見的暗物質(zhì)。

皮布爾斯與Ostriker 的一項(xiàng)研究對(duì)于暗物質(zhì)被廣泛接受也有非常重要的作用。他們使用計(jì)算機(jī)，進(jìn)行了N體模擬(圖5)：用一些粒子代表物質(zhì)，假定它們之間僅存在引力相互作用，看看如何演化。他們發(fā)現(xiàn)，按照觀測(cè)到的銀河系參數(shù)設(shè)置的盤狀星系并不穩(wěn)定，很快就會(huì)從盤狀演化成棒狀。要使星系具有穩(wěn)定性，必須假定在盤之外還存在著呈球狀分布的暗物質(zhì)，也就是所謂暗物質(zhì)暈。

圖5 銀河系想象圖(左)和皮布爾斯與Ostriker (1973)星系N體模擬(右)，演示了在沒有暗物質(zhì)暈的情況下盤狀星系是不穩(wěn)定的

暗物質(zhì)被接受后，人們開始研究暗物質(zhì)情況下的星系形成模型。澤多維奇提出了中微子作為暗物質(zhì)的候選者。但是，由于中微子質(zhì)量很輕，在宇宙早期它們運(yùn)動(dòng)速度很快，這樣它們會(huì)把小尺度的原初擾動(dòng)抹平。因此，在這種所謂熱暗物質(zhì)模型里，首先形成的是一些非常巨大的結(jié)構(gòu)，然后這些再分裂成星系。但是，這種星系演化圖景與觀測(cè)差別太大。皮布爾斯則提出了一種基于緩慢運(yùn)動(dòng)粒子的冷暗物質(zhì)模型。在這種模型里，小的結(jié)構(gòu)首先形成，進(jìn)而逐漸并合成大的結(jié)構(gòu)，與觀測(cè)到的星系形成過程比較一致。如果選取合適的參數(shù)，甚至在定量上也和觀測(cè)符合得比較好。根據(jù)大尺度結(jié)構(gòu)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以反推宇宙大爆炸時(shí)不均勻的程度，皮布爾斯預(yù)測(cè)宇宙微波背景輻射應(yīng)該有十萬分之一量級(jí)的大尺度不均勻性，這果然被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了。

到了20世紀(jì)90年代，更精密的測(cè)量逐漸開始揭示宇宙學(xué)中仍存在著巨大的矛盾：暴脹理論預(yù)測(cè)宇宙是平直的，然而暗物質(zhì)的密度只有臨界密度的0.3倍左右。最終，暗能量的發(fā)現(xiàn)解釋了這個(gè)謎。不過，皮布爾斯并沒有完全滿足，他仍在一直孜孜不倦地繼續(xù)研究宇宙學(xué)，提出了低紅移重子物質(zhì)缺失、空洞環(huán)境中的星系性質(zhì)、本星系群中矮星系的運(yùn)動(dòng)等一系列可能挑戰(zhàn)現(xiàn)有模型的問題，直到現(xiàn)在仍在繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)研究。

2 馬約爾和奎洛茲的太陽系外行星發(fā)現(xiàn)

馬約爾和奎洛茲(圖6)都是瑞士人。馬約爾生于1942年，1966年在洛桑大學(xué)獲得物理碩士學(xué)位，1971在日內(nèi)瓦天文臺(tái)獲得博士學(xué)位，此后留在日內(nèi)瓦天文臺(tái)工作?？迤澤?966年，1990年獲得日內(nèi)瓦大學(xué)碩士學(xué)位，1995年獲得博士學(xué)位，是馬約爾的學(xué)生。

圖6 馬約爾(左)、奎洛茲(右)(來自諾貝爾獎(jiǎng)網(wǎng)站)

哥白尼日心說提出之后，人們就開始猜想其他恒星可能也像太陽一樣被行星所環(huán)繞，例如著名的布魯諾就提出了這樣的設(shè)想。這是一個(gè)很合理的假說，但要真正證實(shí)這一點(diǎn)并不容易。行星不發(fā)光，雖然可以反射一點(diǎn)點(diǎn)中心恒星的光，但都遠(yuǎn)比恒星暗得多，而恒星在望遠(yuǎn)鏡里也不過是一個(gè)光點(diǎn)而已，因此要看到行星就更為困難了。早在一百多年前，天文學(xué)家們就開始努力探測(cè)太陽系外行星，也曾有很多人宣稱探測(cè)到了系外行星，最終卻被進(jìn)一步的觀測(cè)所否定。比如，20世紀(jì)60年代，天文學(xué)家Van de Kamp 聲稱探測(cè)到了環(huán)繞離我們不太遠(yuǎn)的巴納德星的行星，但后來人們發(fā)現(xiàn)這可能是他的觀測(cè)儀器問題造成的。直到90年代，人們?cè)谙低庑行翘綔y(cè)上才終于取得突破。

2.1 系外行星的首次發(fā)現(xiàn)

首先取得的突破有點(diǎn)出人意料。1990年，波蘭天文學(xué)家Aleksander Wolszczan使用當(dāng)時(shí)全世界最大的單天線射電望遠(yuǎn)鏡阿雷西博(Arecibo)射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了脈沖星PSR 1257+12，這是一顆轉(zhuǎn)動(dòng)周期僅6.22 ms的脈沖星。脈沖星是天文學(xué)家們?cè)?0世紀(jì)60年代開始發(fā)現(xiàn)的天體，它們發(fā)出的輻射是周期性的脈沖。脈沖星本質(zhì)上是中子星，中子星密度很大，其半徑只有10千米或幾十千米量級(jí)，相當(dāng)于地球上的一座大山，但其質(zhì)量則可達(dá)到1.4個(gè)太陽質(zhì)量。中子星快速旋轉(zhuǎn)，它像燈塔一樣產(chǎn)生指向某個(gè)方向的輻射，當(dāng)這個(gè)方向掃過我們所在的方向時(shí)就會(huì)被我們看到。通常脈沖星的轉(zhuǎn)動(dòng)如同最精密的鐘表一樣非常規(guī)則、穩(wěn)定，然而觀測(cè)表明這顆脈沖星的轉(zhuǎn)動(dòng)周期有一些反常的變化。經(jīng)過分析，Wolszczan和美國天文學(xué)家Dale Frail 發(fā)現(xiàn)，這種變化的解釋是有兩顆行星在圍繞著這一脈沖星轉(zhuǎn)動(dòng)，他們?cè)?992年公布了這一發(fā)現(xiàn)，這是人類首次發(fā)現(xiàn)系外行星。后來，在1994年他們又發(fā)現(xiàn)了這一系統(tǒng)中第3顆質(zhì)量更小的行星(這也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量最小的系外行星)。這3顆行星的質(zhì)量分別為太陽質(zhì)量的0.02、4.3和3.9倍，周期分別為22.262、66.541 9和98.211 4天。

Wolszczan和Frail發(fā)現(xiàn)的行星是人類歷史上第一次得到證實(shí)的系外行星。不過，這種系統(tǒng)和我們所處的太陽系行星太不相同了。中子星往往是超新星爆發(fā)時(shí)形成的，而且本身也產(chǎn)生大量高能輻射。如果這些行星上曾有過生命，它們也多半在超新星爆發(fā)時(shí)被摧毀了。實(shí)際上，天文學(xué)家們懷疑這幾顆行星很可能是超新星爆發(fā)后由超新星拋射出去的物質(zhì)形成的。人們更加關(guān)心的是類似太陽的普通恒星周圍有沒有行星呢？

2.2 視向速度測(cè)量

一種系外行星的探測(cè)方法是通過精密測(cè)量恒星運(yùn)動(dòng)，來判斷該恒星是否存在行星。我們的地球在萬有引力作用下環(huán)繞太陽運(yùn)動(dòng)，但反之太陽也受到地球萬有引力的作用，因此嚴(yán)格地說地球和太陽都會(huì)環(huán)繞二者的質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)。如果能測(cè)到恒星的這種轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以確認(rèn)其行星的存在。再根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)的周期，也可以推算出行星的轉(zhuǎn)動(dòng)周期和距離，而根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)的幅度大小，還可以推斷出行星的質(zhì)量。

如何測(cè)量行星的運(yùn)動(dòng)呢？天體的運(yùn)動(dòng)可以分解為沿著我們看向它的視線方向的徑向運(yùn)動(dòng)和垂直視線方向的切向運(yùn)動(dòng)。要測(cè)量切向速度只能等上一段時(shí)間看看天體方向發(fā)生了多大變化，據(jù)此求出其運(yùn)動(dòng)角速度，再乘以距離得到其切向方向的速度。由于天體十分遙遠(yuǎn)，而運(yùn)動(dòng)速度有限，角度變化微小，往往很難測(cè)出來。相比之下，徑向速度的測(cè)量比較直截了當(dāng)，因?yàn)楦鶕?jù)多普勒效應(yīng)，趨近我們的天體其輻射的波長變短，而遠(yuǎn)離我們的天體其輻射波長變長。根據(jù)波長變化的程度，就可以測(cè)出天體沿著徑向的運(yùn)動(dòng)速度。

盡管徑向速度的觀測(cè)原理很簡單，但實(shí)際的觀測(cè)難度還是相當(dāng)大的。多普勒效應(yīng)引起的波長變化是：

地球引起的太陽環(huán)繞日地質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)速度只有9 cm/s， 即使是太陽系內(nèi)質(zhì)量最大的木星引起的太陽速度也只有10 m/s。對(duì)于10 m/s的速度，其多普勒效應(yīng)引起的波長變化只有波長的大約三千萬分之一，要測(cè)到這樣精度還是很困難的。

馬約爾早年研究恒星的光譜測(cè)量，最初的目標(biāo)是了解銀河系的結(jié)構(gòu)。太陽以及其他大多數(shù)銀河系恒星都分布在一個(gè)被稱為銀盤的盤狀結(jié)構(gòu)上，環(huán)繞著銀河系中心旋轉(zhuǎn)。不過，這些恒星的軌道參數(shù)各不相同，因此它們彼此還存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以從測(cè)量這些恒星的速度了解其分布情況，推斷銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)。這些恒星之間的相對(duì)速度從每秒幾千米到每秒幾十千米，相應(yīng)的波長移動(dòng)是幾萬分之一，比較容易測(cè)出來的。另外，許多恒星是雙星，繞著共同的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，這也是馬約爾的一個(gè)研究課題。20世紀(jì)70年代，馬約爾與同事合作研制了精密的階梯光柵攝譜儀用于這種測(cè)量。

光柵是一種將光分解為不同波長的光譜的裝置，上面有密密麻麻的細(xì)槽，這些不同槽反射或透射的光相互之間可以干涉，在不同角度上，取決于波長，會(huì)形成相長或相消的干涉，相長干涉的波長就給出了對(duì)應(yīng)的顏色。當(dāng)反射光線時(shí)光盤上會(huì)出現(xiàn)一些彩虹般的光，就是因?yàn)楣獗P上也有這種細(xì)槽造成的。此外，有些鳥類如孔雀的羽毛色彩鮮艷、非常漂亮，也來自這一效應(yīng)。階梯光柵攝譜儀把光柵的不同階光譜平行地投射形成二維圖像(圖7)，同時(shí)為了便于校準(zhǔn)微小的波長變化，使用具有豐富譜線的釷光源形成定標(biāo)光譜，通過多條譜線的同時(shí)測(cè)量提高多普勒測(cè)量的精度。

圖7 1998年研制成功的CORALIE光譜儀二維光譜，每一長條來自光柵的一階，其中的黑點(diǎn)來自同時(shí)曝光定標(biāo)用的釷光源

1977年，馬約爾與同事合作研制的CORAVEL 光譜儀安裝在位于法國東南部的上普羅旺斯天文臺(tái)(Haute Province Observatory)的一臺(tái)瑞士1 m望遠(yuǎn)鏡上，在巡天中其測(cè)速精度達(dá)到了250 m/s，配合計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)光譜測(cè)量系統(tǒng)，可以在觀測(cè)時(shí)就給出速度讀數(shù)，其工作效率比之前的設(shè)備提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。馬約爾用此設(shè)備系統(tǒng)地研究雙星，給出了銀盤上的雙星或多星系統(tǒng)的分布。馬約爾團(tuán)隊(duì)并不是當(dāng)時(shí)唯一開展這項(xiàng)研究的，與他們研究方向很接近的還有哈佛大學(xué)天文學(xué)家David Lantham。1988年，Lantham發(fā)現(xiàn)了一顆恒星的光譜速度有84天的周期性變化，馬約爾等人的觀測(cè)證實(shí)了這一結(jié)果。測(cè)量表明，引起這一變化的是一顆質(zhì)量≥11個(gè)木星質(zhì)量(1 %太陽質(zhì)量)的伴星。這里要說明一下的是，徑向速度法測(cè)定的其實(shí)是質(zhì)量乘以軌道平面傾角的正弦(Msini)，當(dāng)傾角i恰為90°時(shí)實(shí)際的質(zhì)量取最小值，在其他傾角時(shí)實(shí)際質(zhì)量還要大一些，因此這顆伴星最小質(zhì)量是11個(gè)木星質(zhì)量，但其質(zhì)量也可能更大。這顆伴星是什么呢？我們知道恒星與行星的差別在于其核心內(nèi)是否發(fā)生核反應(yīng)。如果質(zhì)量太低，核心的溫度、壓強(qiáng)不足，核反應(yīng)就難以發(fā)生。11個(gè)木星質(zhì)量已接近最小質(zhì)量恒星——褐矮星的下限，既可能是褐矮星，也可能是個(gè)質(zhì)量很大的行星。

這一發(fā)現(xiàn)給了馬約爾很大的啟發(fā)，他意識(shí)到使用他所熟悉的徑向速度測(cè)量技術(shù)有機(jī)會(huì)探測(cè)到系外行星。20世紀(jì)90年代初，馬約爾進(jìn)一步改進(jìn)了設(shè)計(jì)，使用了CCD、光纖等新技術(shù)，研制出了ELODIE光譜儀，安裝在上普羅旺斯天文臺(tái)的1.93 m望遠(yuǎn)鏡上。其測(cè)速精度進(jìn)一步大幅度提高，達(dá)到了13～15 m/s，已經(jīng)比較接近探測(cè)類似太陽系木星的系外行星所需的精度了。1994年春，他和研究生奎洛茲從之前CORAVEL觀測(cè)中未發(fā)現(xiàn)伴星的恒星中挑選出142顆開始系統(tǒng)觀測(cè)。到了年底，他們已在飛馬座51號(hào)星中看到了一個(gè)明顯的4.2天周期變化。經(jīng)過1995年春進(jìn)一步的觀測(cè)證實(shí)，并排除其他的可能性后，第一個(gè)環(huán)繞類似太陽恒星的行星被發(fā)現(xiàn)了。按照國際天文聯(lián)合會(huì)制訂的命名規(guī)則，系外行星用主恒星名稱后加小寫字母命名，字母從b開始按發(fā)現(xiàn)順序排列，同批發(fā)現(xiàn)的行星則按從內(nèi)到外排序，因此這顆行星后來被命名為飛馬座51 b(51 Peg b，圖8)。馬約爾和奎洛茲寫成論文投遞給《自然》(Nature)雜志，并在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上宣布了這一發(fā)現(xiàn)，但按照《自然》雜志的要求，在論文正式出版前他們不能發(fā)布新聞。在會(huì)上聽了他們報(bào)告的美國伯克利大學(xué)的Geoffrey Marcy和Paul Butler回去后立刻進(jìn)行觀測(cè)。由于該星周期只有4.2天，他們很快就證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)，并搶先對(duì)外公布而引起轟動(dòng)。在此后的一段時(shí)間里，Marcy 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了很多系外行星，一度成為系外行星研究領(lǐng)域最著名的人物。不過，2015年，Marcy因被曝光對(duì)多名他指導(dǎo)的女學(xué)生性騷擾而被迫辭職，終結(jié)了其學(xué)術(shù)生涯。

圖8 飛馬座51b 藝術(shù)想象圖

2.3 熱木星

飛馬座51和太陽類似，也是一顆被分類為G-矮星的普通恒星，質(zhì)量約1.11個(gè)太陽質(zhì)量，距離我們大約50光年。不過，其行星卻與太陽系行星頗為不同。飛馬座51 b的質(zhì)量≥0.47個(gè)木星質(zhì)量，但距離其中心恒星非常近，僅0.052 7 AU(天文單位，地球到太陽的距離稱為天文單位，約1.5億km)，每4.23天就環(huán)繞其中心恒星一周。相比之下，太陽系里即使最內(nèi)層的水星軌道也還有0.4 AU。實(shí)際上，由于這顆行星質(zhì)量相當(dāng)大而離其主星又特別近，其引起的速度變化幅度高達(dá)60 m/s。這顆行星距離主星很近，它的溫度應(yīng)該相當(dāng)高，據(jù)估計(jì)可達(dá)1 300 K，質(zhì)量又相當(dāng)大，類似太陽系中的木星，因此后來這類行星被稱為熱木星。

熱木星的發(fā)現(xiàn)出乎很多天文學(xué)家的意料，因?yàn)樵谖覀兲栂抵校拷柕男行侨缢?、金星、地球和火星都是質(zhì)量較小的巖石行星，而木星、土星、天王星、海王星等大質(zhì)量的氣態(tài)巨行星都出現(xiàn)在離太陽較遠(yuǎn)的地方。為什么太陽系行星有這樣的分布？一種可能的解釋是，在距離太陽較近、溫度較高的地方，原始的星云中能夠留存下來形成行星的只有比較稀少、不易揮發(fā)的成分，從而形成質(zhì)量較小的巖石行星。而在距離太陽較遠(yuǎn)的地方，一些易揮發(fā)的成分如水等在低溫下也能凝聚成液體或固體，一旦形成一個(gè)較小質(zhì)量的核心之后就會(huì)吸引軌道上的氣體，因此最終形成質(zhì)量較大的氣態(tài)巨行星。正因?yàn)槿绱?，很多人一開始不太相信會(huì)在距離恒星如此近的地方發(fā)現(xiàn)大質(zhì)量行星。要解釋熱木星的存在，需要考慮行星的遷移。

早在20世紀(jì)80年代，一些天文學(xué)家就提出，太陽星云在收縮形成氣體盤后，一些行星在盤中形成，之后可以與氣體盤相互作用交換角動(dòng)量而發(fā)生遷移。取決于氣體盤和行星的具體情況，這種遷移既可能是向內(nèi)遷移，也可能是向外遷移。熱木星被發(fā)現(xiàn)后，加州大學(xué)圣克魯茲分校的林潮等人在1996年首先提出了熱木星在距離中心恒星較遠(yuǎn)處形成，然后通過與氣體盤的作用遷移到中心恒星近處。此后，又有人提出了一些其他的遷移機(jī)制，比如通過行星之間的散射導(dǎo)致行星進(jìn)入大橢率軌道，然后在軌道的近日點(diǎn)通過與中心恒星的潮汐作用損失能量，使軌道逐漸圓化并靠近恒星等。熱木星的形成機(jī)制目前仍然是活躍的研究課題。

2.4 更多系外行星的發(fā)現(xiàn)

在馬約爾等人使用徑向速度法的測(cè)量取得突破之后，一些其他的觀測(cè)手段也相繼取得突破(圖9)。除了徑向速度法之外，另一個(gè)大量發(fā)現(xiàn)系外行星的方法是凌星法：我們可以監(jiān)視大量恒星，當(dāng)一個(gè)行星經(jīng)過其前方的時(shí)候，會(huì)遮蔽一部分恒星而導(dǎo)致恒星的亮度降低，直到掩星結(jié)束時(shí)亮度再恢復(fù)原樣。有三顆衛(wèi)星進(jìn)行了凌星法觀測(cè)：(1)法國的“對(duì)流旋轉(zhuǎn)與行星凌星”衛(wèi)星(CoRoT，2006—2014)，共發(fā)現(xiàn)32顆系外行星；(2)美國的開普勒衛(wèi)星(2009—2018)，發(fā)現(xiàn)5 011個(gè)系外行星候選事例，其中2 512個(gè)得到證實(shí)；(3)美國的系外行星凌星巡天衛(wèi)星(TESS，2018—)，截至2019年9月已給出了1 000多個(gè)候選事例，有29個(gè)已證實(shí)。更多的空間探測(cè)器也在計(jì)劃中，例如即將發(fā)射的CHEOPS。此外，還有一些地面設(shè)備也開展了這方面的研究。

圖9 已發(fā)現(xiàn)的不同類型的系外行星(取自維基百科)

除了凌星法外，還有微引力透鏡(行星作為引力透鏡，導(dǎo)致恒星亮度變強(qiáng))、直接成像、精確天體位置測(cè)量等方法，限于篇幅，這里不一一贅述了。截至本文撰寫之時(shí)(2019年11月)，已有3 067個(gè)系統(tǒng)中的4 126個(gè)系外行星被發(fā)現(xiàn)并得到證實(shí)，其中671個(gè)系統(tǒng)有不止一個(gè)行星被發(fā)現(xiàn)。這些觀測(cè)大大拓展了人類的視野：就在太陽系周邊的恒星中，就存在著非常多種多樣的行星系統(tǒng)，其行星周期從幾小時(shí)到幾年，其大小從小于地球到幾十倍地球，有的是巖石類型，有的則是氣態(tài)巨行星，而且其中許多行星位于所謂“宜居帶”(離中心恒星的距離不遠(yuǎn)不近，使其溫度恰好允許液態(tài)水的存在)，且大小也接近地球，因此完全可能具備生命存在的條件(圖10)。了解這些不同的行星世界，我們才能看清地球與其他行星的相同和不同之處，從而更好地了解地球的地位。

圖10 開普勒行星與宜居帶。綠色為宜居帶，這在一定程度上取決于中心恒星的表面溫度。宜居帶左面的行星溫度太高，右邊則太低(來自維基百科)

3 總結(jié)

皮布爾斯在物理宇宙學(xué)的理論發(fā)展中起了主要的作用，馬約爾和奎洛茲則首次觀測(cè)到了環(huán)繞類似太陽的恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的行星。他們的研究方向有相當(dāng)不同，把他們組合在一起授獎(jiǎng)似乎略顯奇怪。不過，諾貝爾獎(jiǎng)的頒發(fā)受到很多條件的約束，而候選者有時(shí)也有各方面的爭議，這可能導(dǎo)致了2019年的獲獎(jiǎng)組合。毋庸置疑的是，他們?cè)谌祟悓?duì)宇宙的探索中都作出了巨大的貢獻(xiàn)。