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2019年諾貝爾物理學獎同時授予了系外行星和宇宙學領域，以表彰天文學家米歇爾·梅耶(Michel Mayor)與迪迪爾·奎羅茲(Didier Queloz)在系外行星發(fā)現(xiàn)上做出的突出貢獻，以及理論宇宙學家詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles)從理論角度為現(xiàn)代宇宙學物理體系的建立做出的杰出貢獻。

諾貝爾獎委員會給出的理由是“為我們理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置做出的貢獻”，以他們3人為代表的科學家們?yōu)槿祟愒诂F(xiàn)代科學的框架下重新認識自身與宇宙的關系提供了重要思路。一方面，讓人類重新思考我們所生活的這個星球在宇宙中是否是獨一無二的，對探索系外宜居星球和尋找外星生命非常重要; 另一方面，使我們能夠更加精準地把握宇宙演化的歷史脈絡，更加清楚地了解我們生活的這個宇宙的前世今生。

此3人中，實驗天文學家梅耶和奎羅茲一起發(fā)現(xiàn)了飛馬座51b，這是第一個被人類發(fā)現(xiàn)的繞著類太陽恒星飛馬座51運轉(zhuǎn)的系外行星；而理論宇宙學家皮布爾斯在原初核合成、暗物質(zhì)、宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background，CMB)和大尺度結(jié)構形成等現(xiàn)代宇宙學的重要領域做出了關鍵的理論貢獻，是開拓精確宇宙學時代的標志性領軍人物。

這兩個領域在近二三十年內(nèi)展現(xiàn)出了蓬勃生機。21世紀，伴隨著先進技術的發(fā)展，系外行星和外星生命的研究有了爆發(fā)式的發(fā)現(xiàn)。至此，宇宙學領域已經(jīng)獲得4次諾貝爾獎，分別是宇宙背景探測者衛(wèi)星、宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)、引力波的探測，以及此次的2019年諾貝爾物理學獎，它們使當代宇宙學獲得了廣闊的發(fā)展前景。

下面將對梅耶和奎羅茲在系外行星領域的發(fā)現(xiàn)、系外行星的探測手段和發(fā)展前景，以及宇宙學領域的發(fā)展簡史、皮布爾斯的貢獻等展開介紹，并論述目前宇宙學領域的一大研究熱潮，即原初引力波的探測。

所謂行星，是指自身不發(fā)生核聚變反應發(fā)光并圍繞恒星運轉(zhuǎn)的天體，這樣的天體有可能適合生命存在，例如地球和火星。自19世紀以來便有觀測報告聲稱發(fā)現(xiàn)了系外行星的蹤跡，但是都未曾被確切證實過。此外，有一些由于光度太低，無法辨別是系外行星還是其他恒星的變種，例如低質(zhì)量的褐矮星。

早在1988年，Campbell等人^[1]就曾報道過疑似發(fā)現(xiàn)系外行星的證據(jù)，他們利用視向速度法發(fā)現(xiàn)距離地球大約45光年外的恒星雙星系統(tǒng)少衛(wèi)增八(仙王座γ，Gamma Cephei)存在一枚繞其公轉(zhuǎn)的行星。然而，由于當時的觀測技術有限，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳，直到2003年通過新測量數(shù)據(jù)的支持^[2]，這枚系外行星的存在才獲得了天文學界的公認，它也因此錯過了成為首枚被人類發(fā)現(xiàn)的系外行星。

1995年10月6日，日內(nèi)瓦大學的梅耶和奎羅茲師徒二人宣布，首次利用徑向速度法(圖1)發(fā)現(xiàn)一顆普通主序星(飛馬座51)的行星(飛馬座51b)，該行星距離地球大約51光年^[3]。幾天后，美國天文學家們在加州圣何塞附近的利克天文臺也證實了這一發(fā)現(xiàn)。

這一發(fā)現(xiàn)打開了當代系外行星發(fā)現(xiàn)的先河。先進的技術，特別是高分辨率光譜學大大加速了新系外行星的發(fā)現(xiàn)。這些新技術讓天文學家可以憑借行星對恒星的引力影響或光度變化來實現(xiàn)間接探測系外行星的存在。

圖1  徑向速度法示意圖。大圓表示恒星，小圓表示行星，叉表示雙體系統(tǒng)質(zhì)心。下圖橫軸代表時間，縱軸代表相對于地球的視線方向速度。在我們的視線方向上，恒星會輕微地接近和遠離地球，它的譜線上會出現(xiàn)微小的多普勒效應而被捕捉到。圖源: The Royal Swedish Academy of Sciences

飛馬座51b是被發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞類似太陽的主序星(飛馬座51)公轉(zhuǎn)的系外行星，也是典型的熱木星。該行星的軌道周期為4個地球日，其軌道與母星的距離比水星到太陽的距離近得多，軌道速度為136 km/s，質(zhì)量下限是木星質(zhì)量的一半。

當時，一顆如此靠近其母星的巨行星的存在是與行星形成理論相悖的，因此被認為是一種反?，F(xiàn)象。然而，在此之后又陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)了眾多的熱木星。天文學家開始研究行星的軌道遷移現(xiàn)象，并重新審視之前傳統(tǒng)的行星形成理論。對于地球上的觀測者來說，相較于母恒星，系外行星一般都非常暗淡，所以絕大多數(shù)系外行星都只能間接地進行觀測^[4]。

值得強調(diào)的是，太陽系外存在行星，如果這些行星的軌道恰好位于宜居帶，并且表面極有可能覆蓋液態(tài)水的話，那么孕育出生命的概率就會大大提高，這也極大地吸引了人類探索外星生命的科學探索興趣。

截至目前，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并確認了超過4000顆系外行星。在這些行星中，處于疑似宜居帶的類地行星不在少數(shù)。在這些漂泊在太空中的星球上會不會也存在其他的生命體？這一問題被科學家們長期關心^[5]。

人類對宇宙的近代認知，以文藝復興后日心說的興起為起點，緊接著牛頓力學的建立為宇宙學和天文學的發(fā)展在理論上打下了堅實的基礎。20世紀初，以量子力學和廣義相對論為標志的物理學革命開始后，以相對論時空觀為基礎的真正意義上的宇宙學開始被建立起來。

1929年，美國天文學家哈勃做出了一項舉世震驚的里程碑式的發(fā)現(xiàn)，那就是他發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹。這一觀測結(jié)果直接促使伽莫夫等人在20世紀40年代建立起了熱大爆炸宇宙學說。這一理論描述了宇宙創(chuàng)生于一個時空奇點的大爆炸，在極早期宇宙中充斥著由微觀粒子構成的輻射流體，溫度極高且密度極大，這一溫度在整個宇宙背景下是統(tǒng)一均勻的，也就是宇宙背景溫度^[6]。

在皮布爾斯所做出的一系列開創(chuàng)性工作中，最重要的當屬他在20世紀60年代參與了宇宙微波背景輻射的理論預言及發(fā)現(xiàn)。熱大爆炸宇宙學說預言了宇宙背景溫度，即如今觀測到的2.73 K絕對溫度，說明宇宙背景輻射應該具有一個特別的分布規(guī)律。在研究工作進行地如火如荼時，兩位無線電科學家找到皮布爾斯，說他們發(fā)現(xiàn)了一個奇異的信號，后經(jīng)證實，這正好就是宇宙微波背景輻射的信號。這兩位無線電科學家就是1978年諾貝爾物理學獎得主彭奇亞諾和威爾遜。這是宇宙微波背景輻射，也可以說是宇宙學領域的第一個諾貝爾獎。

1989年，人類發(fā)射了第一顆CMB觀測衛(wèi)星，即美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的宇宙背景探測者衛(wèi)星(Cosmic Background Explorer，COBE)。當時這顆衛(wèi)星以近乎完美的精度確認了CMB的黑體輻射譜和宇宙背景溫度。不僅如此，在這個輻射背景上，人類首次觀測到了均勻溫度背景中的擾動，即10^–5的溫度漲落。

后來的第二代CMB衛(wèi)星——美國宇航局威爾金森微波各向異性探測器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP)和第三代衛(wèi)星——歐洲空間局(European Space Agency，ESA)的普朗克(Planck)衛(wèi)星，都進行了極高精度的測量和完美驗證。由于COBE 衛(wèi)星實驗所帶來的巨大影響，該項目的兩位首席科學家——馬瑟和斯穆特在2006年被授予了諾貝爾物理學獎。這一領域的成就與其他宇宙學觀測實驗的發(fā)展一起推動了“精確宇宙學”時代的來臨。

繼CMB之后，宇宙學家還發(fā)現(xiàn)了占全宇宙物質(zhì)比重約95%的暗物質(zhì)^[7]和暗能量^[8,9]的存在。它們對我們認識宇宙演化有及其重要的影響，這一切都要歸結(jié)于對大尺度結(jié)構形成的研究。

二十世紀六七十年代，皮布爾斯的研究興趣轉(zhuǎn)向宇宙的大尺度結(jié)構形成，他參與研究宇宙的各種物質(zhì)組分以及宇宙本身的演化，并做出了重要貢獻。在此之前，宇宙學的研究都比較定性; 在此之后，宇宙學理論進入了可以通過擾動理論定量研究的精確宇宙學時代，可以對宇宙的物質(zhì)、暗物質(zhì)等物質(zhì)組分的演化分布進行計算。

并且，皮布爾斯和前蘇聯(lián)的蘇尼亞耶夫、澤爾多維奇等人還發(fā)現(xiàn)，宇宙大尺度結(jié)構的種子來源于宇宙微波背景輻射中的擾動^[10]，這對宇宙學的理論發(fā)展至關重要。

此前有關宇宙學的諾貝爾獎都被授予了實驗發(fā)現(xiàn)，這次是理論宇宙學第一次被諾貝爾獎垂青，這是對自20世紀中葉以來日益發(fā)展成熟的熱大爆炸宇宙學以及相關的宇宙學擾動理論為人類呈現(xiàn)的新的宇宙觀的極大肯定。

傳統(tǒng)的熱大爆炸宇宙學能夠十分精確地描述宇宙從創(chuàng)生后幾分鐘到當前138億年的演化歷程，然而它也面臨著一定的理論短板。例如，該學說無法完美解釋當前的宇宙為什么在所有方向上看起來都如此均勻和平坦，同時無法確知CMB中的擾動來源于何處等。

為了解答這一系列的理論問題，美國宇宙學家古斯于 1980 年提出了暴脹學說。這一學說指出，宇宙在剛剛誕生約10^–36~10^–32 s期間曾經(jīng)歷過一次極為劇烈的加速膨脹^[11]。通常這樣的加速膨脹過程需要一個動力學標量場，被稱為暴脹場，該場可以將宇宙的空間尺度在短時間內(nèi)放大至少10²⁵倍。因此，這個過程十分有效地抹平了宇宙空間可能存在的任何不平坦性和不均勻性。

在現(xiàn)代宇宙學中，宇宙學擾動理論是基于愛因斯坦的廣義相對論進行微擾展開，并通過研究這些微小的原初擾動的演化行為去確定星系及星系團等大尺度結(jié)構的最終形成過程^[12]。暴脹期間，暴脹場自身在不斷地產(chǎn)生量子漲落，這些量子漲落的波長又因為暴脹而被拉伸到極大尺度，并且能退化成經(jīng)典擾動。這些經(jīng)典擾動最后演變成了CMB(宇宙微波背景)中的溫度漲落，并且在暴脹結(jié)束之后為宇宙中大尺度結(jié)構形成提供種子。而且，由宇宙學擾動理論所預言的近標度不變的功率譜和大尺度結(jié)構的物質(zhì)功率譜，在后來的宇宙學觀測實驗中都獲得了極高精度的檢驗。

基于廣義相對論，熱大爆炸宇宙學說與暴脹框架下的宇宙學擾動理論結(jié)合在一起，可以給出一個只含有6個基本參數(shù)的宇宙學中的標準模型，即“和諧宇宙模型(concordance model)”。當前宇宙學家們正致力于通過各種更加精確的宇宙學觀測實驗來檢驗這個標準模型，同時也在努力搜尋著任何可能超出標準宇宙學圖像的蛛絲馬跡^[13]。

暴脹宇宙學的另一個重要預言是，時空自身的真空量子漲落也會迅速擴張到哈勃視界外形成張量型的原初擾動，即原初引力波。原初引力波與暴脹期間的物質(zhì)成分沒有直接關系，是純時空漲落，而且是一種量子效應。因為暴脹發(fā)生在整個可觀測宇宙中，所以原初引力波在宇宙中應該處處存在，形成引力波背景并遺留至今。

因此，一方面，探測原初引力波有利于檢驗暴脹這樣一個極高能標的早期宇宙過程，甚至有機會觸及到宇宙最接近大爆炸那一刻的動力學性質(zhì)，例如反彈宇宙學的檢驗^[14,15]; 另一方面，它是引力(即時空)的量子產(chǎn)物，有助于推進人們對量子引力這些基本物理問題的理解^[16]。

2017年的諾貝爾物理學獎授予了維斯、索恩和巴里什，以表彰他們帶領LIGO團隊發(fā)現(xiàn)引力波信號的貢獻。然而，由于原初引力波是宇宙本身這一極大尺度對象產(chǎn)生的，其波長早已超過地球尺度，所以無法使用與LIGO類似的實驗方法進行探測，還是需要求助于宇宙的自拍照——CMB的偏振進行探測，如圖2所示。

從觀測角度來看，CMB偏振圖像可分解為兩種獨立的模式，一種是E模式，一種是B模式。B模式偏振是“有旋”的，因而它在空間反射作用下具有與E模式不同的性質(zhì)。若將兩種偏振模式做空間反射，將會發(fā)現(xiàn)E模式保持不變，而B模式的B>0和B<0的兩種自旋模式會互換。換句話說，E模式具有偶宇稱，B模式具有奇宇稱。

圖2  Planck衛(wèi)星實驗組公布的CMB溫度漲落圖。上圖為精細結(jié)果展示，中圖為光滑處理后的圖，下圖為光滑后的加極化的示意圖。圖源: ESA

在CMB產(chǎn)生時期，原初引力波掃過整個宇宙，使得散射前電子周圍的時空變形，散射出來后的CMB光子就會具有B模式偏振，因此對原初引力波探測來說，CMB是最直接的方式。同時，CMB探測的原初引力波的頻率非常低。波長是宇宙學尺度，來源于早期宇宙，也就是說，實現(xiàn)CMB光子散射的“實驗裝置”是天然的。

并且，原初引力波有一個優(yōu)點: 作為信號源，它非常穩(wěn)定，這是因為原初引力波充滿整個宇宙空間，在同樣充滿整個宇宙空間的CMB上留下的印記也長久存在，可被重復驗證。而LIGO探測的黑洞并合這樣的事件偶然性比較大，而且同一事件無法由后續(xù)其他實驗來驗證。

目前，中國的宇宙學界正在致力于發(fā)展CMB的B模式偏振信號的探測計劃，例如在西藏阿里地區(qū)建造微波探測望遠鏡尋找原初引力波的微弱信號^[17]。此外，有關暗物質(zhì)的實驗探測也在如火如荼進行^[18,19]。這些項目極大推進了中國的宇宙學研究力量。