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              2019年天文领域大事件回顾(1)
              发布时间:2020-01-02

              2019年就要结束了。在过去的一年中,有哪些非常重要甚至刷屏的天文大事?细数一下,其实不少。

              这一年,诺贝尔物理学奖又一次花落天文领域:宇宙学大佬皮伯斯因为告诉我们宇宙如何演化而获得了诺贝尔物理学家奖的一半;系外行星探测的先驱麦耶与奎洛兹因为告诉我们还有一个行星绕着和太阳类似的行星转而获得了诺贝尔物理学家奖的另一半。

              这一年,射电天文学又下一城,震撼全世界:全球200多个天文学家参与、8台射电望远镜联合成一个地球那么大的望远镜拍摄出的黑洞照片被公布,从此人类看到了神秘的黑洞。

              这一年,“嫦娥”继续飞月,“隼鸟”进龙宫探宝:中国的嫦娥4号成为人类第一个在月球背面软着陆的探测器并放出了玉兔2号月球车,成为月球上最长命的月球车;日本的隼鸟2号则跑到小行星“龙宫”上采集岩石与泥土,创下多个记录,然后朝着返回地球的路上奔跑。

              这一年,NASA的两个探测器朝着几乎相反的两个方向自由飞:新视野太空船飞掠冥王星之外的冰冷小行星“海角天涯”,帕克太阳探测器则朝着炽热的太阳继续进发;

              这一年,位于中国西藏的羊八井高能粒子探测器与位于中国河北兴隆的郭守敬望远镜(LAMOST)分别探测到破纪录的“怪物”:中日高能物理学家用羊八井探测器探测到破记录的高能量光子;中外天文学家用郭守敬望远镜与Keck望远镜、GTC望远镜搜寻并确认破纪录的恒星级黑洞。

              这一年,与引力波有关的研究依然炙手可热,人们在探索重元素产生之谜与致密星并合的现象方面又有新进展:丹麦天文学家在两颗中子星并合之后的“灰烬”里找到了锶元素存在的证据;中国团队发现双中子星并合后可能形成大质量磁星的证据;引力波探测器LIGO可能发现了黑洞与中子星并合发出的引力波。

              纷纷扰扰的2019年,天文学家们、航天专家与物理学家们给我们献出了一个又一个惊喜。本文梳理以上12大天文有关的进展,以飨读者。由于选择标准的差异,有些读者认为的重要进展这里未列入,在此先说明。

              更重要的声明:除了诺贝尔奖(2项)、黑洞照片(1项)与航天探测有关的项目(4项)外,其他各项大事的顺序不代表重要性的大小。

              1、皮伯斯获得2019年度诺贝尔物理学奖

              2019年10月8日,瑞典皇家科学院宣布2019年度的诺贝尔物理学奖的一半由84岁高龄的詹姆斯·皮伯斯(James Peebles,1935-)获得。

              皮伯斯获奖是因为在宇宙学领域的长期、原创性、影响深远的工作,因此这个奖其实更像是终身成就奖,而不是针对某个特别的成果的奖励。因为在宇宙学方面的持续推动作用,皮伯斯被誉为现代宇宙学之父。因为众多突出贡献,他此前已经拿了10个大大小小的奖,手都拿软了。诺贝尔奖这次又在他手上塞了块奖牌。

              图:皮伯斯的照片(Juan Diego Soler)

              皮伯斯的工作概括起来就是研究以下方面:宇宙如何演化?宇宙的结构如何形成?宇宙由什么组成?极早期宇宙中的元素如何合成?暗物质的本质是什么?暗能量的本质是什么?对于上述问题,皮伯斯都做出了突出贡献。

              例如,现在宇宙学界公认宇宙大部分由暗能量构成。暗能量是起排斥作用的,会使宇宙加速膨胀。历史上,爱因斯坦提出的宇宙学常数就具有排斥作用。为了简单叙述,我们姑且把暗能量等同于宇宙学常数。皮伯斯是最早提出宇宙中大部分成分是宇宙学常数的人,这个理论预测后来在1998年被两个超新星观测小组分别验证,这两个小组的学术带头人后来获得了2011年的诺贝尔物理学奖。

              图:宇宙演化图。(NASA/WMAP Science Team - Original version: NASA; modified by Cherkash)

              这并不是宇宙学仅有的两次诺比尔奖。在此之前,彭齐亚斯与威尔逊因为在地面上探测到宇宙微波背景辐射而获得了1978年的诺贝尔物理学奖,斯穆特与马瑟因为领导小组用卫星探测了完整的宇宙微波背景辐射而获得了2006年的诺贝尔奖。微波背景辐射是宇宙大爆炸之后的“余烬”。皮伯斯早年通过计算,认为宇宙中存在微波背景辐射。但赫尔曼与阿尔夫更早预测过,所以这方面皮伯斯不算第一人。

              图:哈勃太空望远镜拍到的绝美宇宙(NASA/ESA)

              2、麦耶和奎洛兹获得2019年度诺贝尔物理学奖

              2019年物理诺奖的另外一半由米歇尔·麦耶(Michel Mayor,1942-)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz,1966-)分享,他们的因为系外行星方面的突破性成果而得奖。系外行星的全称是“太阳系外的行星”。

              图:奎洛兹(左)与麦耶(右)(L.Weinstein/Ciel et Espace Phot)

              长期以来,人们猜测宇宙中的恒星中有相当一部分具有行星,它们就是系外行星。但由于恒星光芒远超过周围的行星反射的光,以及探测技术的限制,人们长期以来无法探测到任何系外行星。

              1992年,有人首次发现了一颗系外行星。这颗系外行星围绕一颗中子星公转,因此不大受重视,说起来也是挺冤的。1995年,麦耶与奎洛兹发现了一颗围绕着飞马座51旋转的系外行星,而飞马座51的性质类似于太阳,中国古人称之为“室宿增一”,可见这颗星是可以用肉眼直接看到的。1995年,奎洛兹29岁,还在跟随麦耶读博士。总结起来,可以用一句有些拗口的句子描述:麦耶和奎洛兹首次发现围绕一个类似于太阳的恒星的系外行星。因为这个成果,他们被授予2019年的物理诺奖。

              图:图中红圈内部的黑点就是飞马座51,旁边所有光点也都是恒星(来源:Wikipedia)

              麦耶和奎洛兹与奎洛兹探测系外行星的方法是“视向速度法”。行星环绕恒星运动时,恒星也会被行星拽动,二者共同环绕一个共同的中心运动。恒星的周期性运动会导致其发出的光时而变得更红、时而变得更蓝,交替变化。如果看到一颗恒星发出的光的颜色有这样的交替变化,就可以判定它带着行星。根据恒星颜色变化的程度,还可以计算出行星的质量下限。

              除了这个方法之外,还有根据恒星亮度周期性微微变暗来确定系外行星的“凌星法”,遮挡恒星之后拍照的“直接成像法”、利用引力透镜效应进行探测的“微引力透镜法”,等等。有时候,天文学家使用多个方法交叉检验,排除假信号。

              过去20多年,系外行星获得了巨大的进步,成为天文学领域的新贵,“开普勒”望远镜共发现了几千颗系外行星,另外还发现几千颗等待确认的候选体。麦耶与奎洛兹获得物理诺奖,对于这个炙手可热的领域而言,可谓锦上添花。


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