讓人類看到更廣闊的宇宙

茍利軍

在天文學界，皮布爾斯的名字如雷貫耳，可以說是宇宙學領域內的先驅性人物。自從1970年以來，他被廣泛認為是世界領先的理論宇宙學家，在這期間，他主要對原始核合成、暗物質、宇宙微波背景和結構形成等領域作出了理論貢獻。也正是他的很多貢獻，才使宇宙學進入了真正的精確宇宙學時代。今年84歲的皮布爾斯，他的獲獎可稱得上實至名歸。

現代宇宙學揭示了宇宙的歷史，以及宇宙中令人意想不到的物質和能量組成部分。與此同時，人們發現太陽遠不是銀河系中唯一具有行星的恒星。新的發現顯示，行星系統具有廣泛的多樣性。在過去的幾十年里，人們不僅對宇宙的理解發生了深刻的變化，而且對地球在宇宙中所處的地位看法也發生了巨大的改變。今年的諾貝爾物理學獎關注的正是這些突破性的發現。

如此令人興奮的發展之所以成為可能，要感謝過去半個世紀以來，物理學家們在宇宙學理論框架中的突破性發現。今年的諾貝爾獎得主皮布爾斯在這個領域作出了開創性的貢獻。他通過詳細的建模，并利用分析和數值方法，對宇宙的基本屬性進行了探索，發現了意想不到的新物理學。現在，科學家有了一個統一的模型，能夠描述宇宙從最初的幾分之一秒到現在以及遙遠未來的狀態變化，對宇宙做出一個精確的描述。

曾幾何時，宇宙學是一門充斥著沒有堅實依據的猜想，數據也少得可憐。但今天，宇宙學已經成長為一門精確的數學科學，越發精確的觀測數據正發揮關鍵性作用。發現的時代并未終結。隨著測量精度越來越高，我們將有可能發現全新的，此前未能預料到的現象。物理宇宙學將為我們帶來更多驚喜，而皮布爾斯正是那個將我們引向新發現的領路人。

自從天文學家幫助人們認識到宇宙極其廣袤之后，一個很自然的問題就出現了：宇宙其他地方還有生命存在嗎？

宇宙這么大，除了地球，還有其他的星球適合于生命的存在嗎？2014年年底的《星際穿越》電影和2019年年初上映的科幻大片《流浪地球》都講述的是地球面臨災難，尋找新家園的故事。或許在接下來的一兩百年，我們的地球會安然無事，然而，上萬年或者更久一點時間之后，地球的環境變化就可能不太適合生物的居住。過世的物理學家霍金就曾預測，如果人類不保護環境，節省能源，我們將不得不離開這個生我們養我們的藍色星球。所以尋找適宜的系外行星就是天文學家的一個目標，也是在幫助未來的人類做著未雨綢繆的事情。

尋找地外行星的工作從20世紀80年代開始發展，在20世紀90年代時，取得了突破。此次獲獎的有兩位瑞士天文學家，還是一對師生。他們為尋找太陽系之外的行星做出了開創性的工作，在1995年的時候，他們提出了一種叫作視向速度法的方法，在飛馬座51恒星周圍發現了一顆軌道周期為4.2天的行星，這就是我們現在熟知的飛馬座51b命名方式，是結合了發現時間和距離遠近兩種方式，先時間后距離，同時發現按照從內至外，字母順序從b開始。1995年的這一發現標志著一片全新的天體物理學領域就此開啟，即對系外行星與行星形成過程的研究。

這次探測，真正開啟了人類探測系外行星的時代。到目前為止，在開普勒衛星的幫助之下，科學家們已經確認了將近4000顆系外行星，而還有4000多顆等待確認，讓人類意識到很多的系外行星系統和太陽系差別很大，更多的行星比地球要大一些，超級地球就是在那樣的情形之下提出來的。

說到第一顆系外行星，還需要說明的一點是，通常我們會說人類發現的第一顆系外行星是1995年找到的飛馬座51b。但其實，如果不看中心天體的類型的話，第一顆系外行星應該是在中子星周圍發現的。

那是1992年，波蘭天文學家、美國賓夕法尼亞州立大學教授亞歷山大·沃爾茲森和當時正在美國國立射電天文臺做博士后的戴爾·費雷歐宣布發現了圍繞毫秒脈沖星PSR1257+12旋轉的兩顆行星。

這一系統到1994年時被沃爾茲森確認。然而，一方面，在中子星周圍發現的系外行星的數量非常有限，另一方面，中子星周圍環境極其特殊和極端，和地球的環境相差太大，對于我們了解地外生命并沒有太大的幫助。不僅如此，當時探測所使用的方法“脈沖計時法”，也存在很大的局限性。

因此，人們往往會把“人類發現的第一顆系外行星”這一桂冠戴到飛馬座51b的頭上。但準確地說，飛馬座51b是人類發現的第一顆圍繞類太陽恒星運行的系外行星。

在此后的一段時間內，系外行星的發現速度比較緩慢，帶來這個領域再一次巨大飛躍的利器大約在10多年之后出現了，這就是被稱為“行星獵手”的開普勒衛星。這顆衛星在2009年發射升空，一直運行到2018年11月。很快它就發現了大批的系外行星。如今，大約有將近4000顆系外行星得到了確認，而其中，多一半就是由開普勒衛星一個設備所發現的。除過去這些確認的行星之外，還有四千多顆開普勒行星等待確認。正是由于開普勒衛星給行星探測領域所帶來的巨大變化使這個項目的負責人威廉·伯魯奇獲得了2015年的邵逸夫獎。

就在開普勒衛星退役之前，2018年的4月，NASA發射了由另外一個系外行星尋找的衛星，那就是凌日系外行星巡天衛星（TESS）發射升空。它計劃運行兩年，將對85%的天空開展勘測，它比開普勒衛星的探測區域大400倍。TESS衛星將著重尋找圍繞太陽系附近恒星運行的行星，而這些行星的特征將借由地面觀測手段予以確定。到目前為止，它也尋找到了一批系外行星。

除探測系外行星之外，天文學家也開展了一些更為深入的研究。在2001年，天文學家觀察到了證明大氣存在的首個“印記”：589.3納米的鈉共振雙線。而之后，天文學家又相繼觀察到了以氣體形式存在的二氧化碳和水等分子。科學家觀測到的大氣層主要存在于氣態巨行星之上，就在不久之前，研究人員在體積更小的非氣態行星上成功探測到了水的存在。

近年來，隨著天文學家觀測到的一些位于宜居帶中、表面能夠支持液態水存在的類地行星，自然有人提出疑問：這些行星上是否有生命存在？雖然目前尚未在系外行星上探測到生命，但未來的系外行星特征探測衛星（CHEOPS）、詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）、行星凌日和恒星振動任務（PLATO）以及極大望遠鏡（ELT）等地面任務都將配備先進儀器，在類地行星大氣中尋找生命存在的跡象，如氧氣和甲烷等。

總而言之，此次獲獎，皮布爾斯作為一個理論天文物理學家，幫助我們更加深入地了解了宇宙的演化歷程，而馬約爾和奎洛茲作為天文學家，通過觀測的方式幫助我們打開了一個更廣闊的系外行星的世界，讓我們在太陽系之外看到我們地球的影子。感謝他們，推進了人類所能認知的疆域，讓我們看到更廣闊的宇宙！（作者為中國科學院國家天文臺研究員、恒星級黑洞研究團組首席科學家）