尋找茫茫宇宙中的新家園

楊先碧

“我是誰”“我從哪里來”“我要到哪里去”，這些被稱為“人生3大終極疑問”，是關乎人類命運的重大問題，同時也是科學家要解決的問題。從某種角度上來看，3大問題與天文學的研究密切相關：“我是誰”與人類在宇宙中的地位相關，“我從哪里來”與宇宙和太陽系的起源相關，而“我要到哪里去”與人類未來的星際旅行相關。

我們所生活的宇宙從哪里來？宇宙中還有沒有其他類似地球的星球？因為在解答這兩個問題方面做出了突出的貢獻.3名天文學家獲得了2019年諾貝爾物理學獎，他們分別是美國天文學家詹姆斯·皮布爾斯、瑞士天文學家米歇爾·梅厄和迪迪埃·奎洛茲。他們的研究讓人類移民外星的夢想有了科學依據(jù)，未來或許我們可以去往另一個地球，建設適合人類生存的新家園。

字宙起源的證據(jù)

1965年， 《天體物理雜志》發(fā)表了來自美國普林斯頓大學的迪克、皮布爾斯、羅爾以及威爾金森的論文《宇宙黑體輻射》，這篇論文詳細討論了宇宙微波背景輻射的溫度。在論文發(fā)表后的第54年，其中3位作者都已經(jīng)去世，而健在的皮布爾斯幸運地獲得了諾貝爾獎。

宇宙微波背景輻射的溫度，當年看起來似乎并不起眼的研究，為何會獲得諾貝爾評獎委員會的青睞呢？這是因為宇宙背景輻射本身很重要，它是宇宙起源的重要證據(jù)。利用傳統(tǒng)的光學望遠鏡觀察，恒星和星系之間的空間（就像圖畫的背景）一片漆黑，然而，利用靈敏的輻射望遠鏡可以發(fā)現(xiàn)，太空中存在微弱的背景輻射，且在各個方向上幾乎一模一樣，與任何恒星、星系或其他對象都毫無關系。宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸遺留下來的熱輻射，是一種充滿整個宇宙的微波電磁輻射。

以前，人們不知道宇宙是怎么起源的。20世紀20年代，天文學家根據(jù)推理和計算，提出宇宙起源于一個奇點的大爆炸。也就是說，大爆炸之前是一片虛空，這片虛空中存在一個肉眼都看不見的奇點。這個奇點有無限小的體積和無限大的密度，突然有一天它炸開了，逐漸形成現(xiàn)在的宇宙。這就是宇宙大爆炸假說。這個假說聽起來有些玄幻，最初也沒有獲得廣泛認可，但是不斷有證據(jù)證明這個假說很可能是正確的，于是變成宇宙起源的主流假說。在那些證據(jù)中，宇宙微波背景輻射特別重要，因為它是大爆炸的印記。

宇宙大爆炸之后、恒星形成之前，宇宙的范圍還較小，其中分布著溫度極高、密度極大的氣體，宇宙隨著這些氣體向外擴散而逐漸膨脹，宇宙溫度開始降低。這究竟有多低呢？皮布爾斯和他的同事計算發(fā)現(xiàn)，宇宙的平均溫度只有3K，也就是比絕對零度高3度，相當于-270℃。

宇宙微波背景輻射的相關研究奠定了大爆炸宇宙學的科學地位，讓其他理論假說黯然失色。

在皮布爾斯獲獎之前，有兩屆諾貝爾物理學獎頒給宇宙微波背景輻射的相關研究。1964年，美國科學家彭齊亞斯和威爾遜探測到宇宙微波背景輻射的信號，因此獲得1978年諾貝爾物理學獎。另一次是2006年，美國科學家約翰.馬瑟和喬治-斯穆特因發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性而獲獎。

皮布爾斯后來對大爆炸核合成、暗物質(zhì)和暗能量等領域繼續(xù)做出重要的理論貢獻，為宇宙學中幾乎所有現(xiàn)代研究奠定了基礎，將一個高度猜測性的領域變成了一門精密科學，被譽為領先世界的理論宇宙學家之一。皮布爾斯給年輕科學家的建議是：“希望你們是因為熱愛科學而從事科學研究，是因為對科學著迷才堅守在這里。”

尋找太陽系以外的行星

太陽周圍有8大行星，還有很多個小行星。那么，像太陽一樣的其他恒星周圍是否也有行星呢？如果我們按照常理推測，那肯定是有的。許多科學先驅(qū)也曾預言，滿天繁星中，一定有許多恒星擁有繞它們旋轉的行星。但是，科學結論不能靠預言來推定，更不能靠常理來確認，它需要按照科學規(guī)律所找到的證據(jù)。

如果說皮布爾斯研究的是宇宙起源這樣宏大的問題，那么梅厄和奎洛茲則研究的是相對具體的問題。他們開創(chuàng)性的貢獻是利用間接觀測的手段發(fā)現(xiàn)了其他恒星周圍也有行星。

或許有人會問，我們望遠鏡那么先進，難道連太陽系外的一顆行星也看不到嗎？真的不行！我們身處太陽系中，所以能看到太陽系內(nèi)的水星、金星和火星等其他行星，但是相對于其他恒星，系外行星反射的光很弱，加之距離我們遙遠，而離恒星相對很近，這會讓它們完全隱藏在恒星的光芒之下。打個比方來說，如果我們自己的汽車開了遠光燈，那么附近的東西都能看得見，這個車燈就好比是太陽;如果是別人的汽車開了遠光燈照過來，我們會感覺晃眼，難以看清那個車燈附近的物體，那個車燈就好比是其他恒星。

既然不能直接觀測，那就采取間接的方法吧。梅厄和奎洛茲利用的是恒星光譜來進行分析。如果恒星周圍有一顆行星，會對恒星光譜產(chǎn)生一定的改變，他們就通過這種改變來確認恒星周圍是否有行星，甚至可以由此探測到行星的大小、距離等相關信息。

行星為什么可以對恒星的光譜產(chǎn)生影響呢？這是因為萬有引力在起作用。一顆恒星對行星產(chǎn)生引力作用的同時，行星也會對之產(chǎn)生一個同樣大的引力，這會導致恒星的位置發(fā)生微弱變化。相對我們地球上的觀測者來說，恒星位置的變化會體現(xiàn)在光譜上，簡單來說就體現(xiàn)在光的顏色（頻率）上。如果一顆恒星稍稍遠離我們，它的光就會發(fā)生紅移，即光的頻率降低，整個光譜的顏色向紅色一端移動;與此相反，如果向我們靠近的話，則發(fā)生藍移。

1995年，梅厄和奎洛茲發(fā)現(xiàn)了在太陽系外圍繞著飛馬座51恒星公轉的行星“飛馬座51b”，距離地球約50光年。這是一顆與木星相仿的氣態(tài)行星，質(zhì)量約是木星的一半，體積約是木星的兩倍，表面溫度約1000℃。

飛馬座5lb的發(fā)現(xiàn)是天文學上的一座里程碑，它是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞類似太陽的恒星公轉的系外行星，其重要性堪比歷史上的哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸。此后，其他天文學家以梅厄和奎洛茲開創(chuàng)的方法為起點，發(fā)展出更多尋找系外行星的方法。1995年以來，天文學家找到4100多顆系外行星，它們正以各異的形態(tài)震驚著世人。

未來的新家園

3位科學家的發(fā)現(xiàn)都屬于理論性的，看似和實際應用沒有任何關系。其實，他們的發(fā)現(xiàn)涉及到一個極為重要的現(xiàn)實問題，即我們往哪里去的問題。隨著地球上人口數(shù)量不斷增多，地球也越來越難以承載如此多人的生存需求。人類的未來不僅僅會在地球上更好地發(fā)展，而且會飛向遙遠的星辰，尋找新的家園。

根據(jù)皮布爾斯的宇宙模型，其他科學家從宇宙微波背景中推測出了宇宙的成分：構成行星和人類的普通物質(zhì)僅占宇宙總物質(zhì)量的5%，剩下的是26%的暗物質(zhì)和69%的暗能量。皮布爾斯的研究成果為未來的星際航行提供重要的理論指導，人們可以據(jù)此制造出更先進的飛船，快速抵達其他星球。

“宇宙中還有其他的世界嗎？這是個非常古老的問題，哲學家們對此爭論不休。”梅厄在接受記者采訪時說，“我們不斷尋找離我們最近的行星，它們可能與地球相似。我和同事們開啟了尋找系外行星的研究，證明了研究它們是可能的。”

梅厄和奎洛茲的發(fā)現(xiàn)開啟了系外行星探測的熱潮，讓大家意識到太陽系之外還有不少類似地球的星球存在。隨著天文學家對系外行星的不斷探索，人類有望在將來繪制一張詳盡的星空地圖，我們可以從中找到“星際高速航線”的休息區(qū)和目的地，這對未來的星際旅游和星際移民都將有極大的幫助。

獲獎者簡介

詹姆斯·皮布爾斯，1935年4月25日出生于加拿大溫尼伯：1958年，在加拿大曼尼托巴大學獲得學士學位;1962年，在美國普林斯頓大學獲得博士學位：現(xiàn)為普林斯頓大學阿爾伯特·愛因斯坦榮譽科學教授。

米歇爾·梅厄，1942年出生于瑞士洛桑;1966年，在瑞士洛桑大學取得物理學位：1971年獲得日內(nèi)瓦大學博士學位：曾在英國劍橋的天文臺、智利的歐洲南方天文臺和夏威夷的夏威夷大學天文研究所進行研究：目前擔任日內(nèi)瓦大學教授。

迪迪埃·奎洛茲，1966年2月23日出生于瑞士：1990年，獲得瑞士日內(nèi)瓦大學物理學碩士學位：1995年，獲得日內(nèi)瓦大學物理學博士學位：目前擔任日內(nèi)瓦大學教授，兼任劍橋大學教授、劍橋三一學院研究員。