尋找茫茫宇宙中的新家園

白石

“我是誰”，“我從哪里來”，“我要到哪里去”，這些被稱為“人生三大終極疑問”的問題，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，三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，“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？由于在解答這2個問題方面作出了突出的貢獻，3位天文學家獲得了2019年諾貝爾物理學獎，他們分別是美國天文學家詹姆斯·皮布爾斯和瑞士的2名天文學家米歇爾·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，或許在未來我們可以去往另一個“地球”，尋找適合人類生存的新家園。

宇宙起源的證據

這次皮布爾斯能獲諾貝爾獎，還得從54年前說起。1965年，《天體物理雜志》發表了普林斯頓大學的迪克、皮布爾斯和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。在這篇論文發表后的第54年，其余3位作者都已經去世，只有依然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，在當年看來似乎是并不起眼的研究，那為何其后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。利用傳統的光學望遠鏡，恒星和星系之間的空間（就像圖畫的背景）是一片漆黑。然而，利用靈敏的輻射望遠鏡則可發現，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，它與任何恒星、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，人們并不知道宇宙是怎樣起源的。20世紀20年代，天文學家根據推理和計算，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，在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，逐漸形成了現在的宇宙。宇宙大爆炸理論聽起來有些玄幻，最初并沒有獲得人們的廣泛認可，但是越來越多的證據證明這個假說很可能是正確的，于是大爆炸理論成為了宇宙起源的主流假說。在那些證據中，宇宙微波背景輻射特別重要，因為它是大爆炸的印記。

在宇宙大爆炸之后到恒星形成之前這個時期，宇宙的范圍還較小，其中分布著溫度極高、密度極大的氣體，宇宙在隨著這些氣體向外擴散而逐漸膨脹的同時，溫度開始降低。這溫度究竟有多低呢？皮布爾斯和他的同事利用宇宙微波背景輻射的相關理論進行計算，發現宇宙的平均溫度只有-270℃，也就是只比絕對零度高了3℃。

宇宙微波背景輻射的相關研究非常重要，因為它們奠定了大爆炸宇宙學的科學地位，使得其他與大爆炸宇宙學競爭的理論徹底退出了歷史舞臺。在皮布爾斯獲獎之前，已經有2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，他們因此獲得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·斯穆特因發現了宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性而獲獎。

皮布爾斯對宇宙學的貢獻并非在1965年就止步了。他后來對大爆炸核合成、暗物質、暗能量等領域都作出了重要的理論貢獻，因此被譽為世界上領先的理論宇宙學家之一。他為宇宙學中幾乎所有的現代研究奠定了基礎——包括理論和觀測，將一個高度猜測性的領域變成了一門精密的科學。

尋找太陽系以外的行星

太陽周圍有八大行星，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？如果我們按照常理來推測，那是肯定的。許多科學先驅都曾預言，滿天繁星中，一定有許多恒星也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，它需要用科學的證據來確認。如果說皮布爾斯研究的是宇宙起源這樣宏大的問題，那么梅厄和奎洛茲研究的則是一些相對具體的問題。他們的開創性貢獻是利用間接觀測手段發現了其他恒星的周圍也有行星。

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，所以我們能看到太陽系內的水星、金星、火星等其他行星。但是，相對于其他的恒星來說，系外行星反射的光實在太弱了，加之它們離我們很遠，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，如果我們駕駛的汽車開了遠光燈，那么附近的東西都能看得見，這個車燈就好比是太陽;如果是別人駕駛的汽車開了遠光燈照過來，我們會感覺很晃眼，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，比如梅厄和奎洛茲就利用了恒星光譜來進行分析。如果恒星周圍有一顆行星，這顆行星就會使恒星的光譜產生一定的改變。梅厄和奎洛茲通過檢測是否有這種改變來確認恒星周圍是否有行星，甚至由此探測行星的大小、距離等相關信息。

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

雖然恒星周圍有行星的這件事，是大家都非常容易理解的。但是，直到1995年，梅厄和奎洛茲才首次在太陽系外發現了一顆行星。這顆行星圍繞著“飛馬座51”恒星公轉，距離地球約50光年，被命名為“飛馬座51b”。它是一顆與木星相仿的氣態行星，質量約是木星的一半，體積約是木星的2倍，表面溫度約1000℃。

“飛馬座51b”的發現是天文學史上的一座里程碑，它是人類發現的第一顆圍繞恒星公轉的系外行星，其重要性堪比歷史上的哥倫布發現新大陸。此后，其他天文學家以梅厄和奎洛茲開創的方法為起點，發展出更多尋找系外行星的方法。1995年以來，天文學家已找到4100多顆系外行星，它們以各異的形態震驚著世人。

未來的新家園

皮布爾斯、梅厄和奎洛茲的發現都屬于理論性的，看似和實際應用沒有任何關系。其實，他們的發現都涉及到一個極為重要的現實問題，即我們可以往哪里去的問題。隨著地球上人口數量不斷增多，地球也越來越難以承載如此多人的生存需求。未來，人類或許會飛向遙遠的星辰，尋找新的家園。

根據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僅占宇宙物質總量的5%，剩下的便是26%的暗物質和69%的暗能量。皮布爾斯的研究成果，為未來的星際航行提供了重要的理論指導，人們可以據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？這是一個非常古老的問題，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。”

梅厄和奎洛茲的發現，掀起了探測系外行星的熱潮，讓大家意識到太陽系之外還有不少類似于地球的星球存在。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出一張詳盡的星空圖，我們可以從中找到“星際高速航線”的休息區和目的地，這對未來的星際旅游和星際移民都會有極大的幫助。