IAE　 2022 07 06

 

Dark matter and exoplanet discoveries win Nobel Physics Prize

Peebles (L) shares the prize Mayor (C) and Queloz (R) for their research into the 

加拿大裔美國宇宙學家詹姆斯·皮布爾斯和瑞士天文學家米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲因研究增加了對我們在宇宙中的位置的了解而獲得了諾貝爾物理學獎。

瑞典皇家科學院秘書長戈蘭·漢森教授在新聞發布會上說，皮布爾斯因“有助於我們了解宇宙大爆炸後如何演化的理論發現”而獲得了一半的獎項。

1995 年 10 月，Mayor 和 Queloz 分享了另一半，首次發現了太陽系外的一顆行星——系外行星——在銀河系中繞著一顆類太陽恆星運行。

“他們的發現永遠改變了我們對世界的看法，”陪審團說。

皮布爾斯的理論框架自 1960 年代中期以來已發展了二十多年，是“我們當代宇宙觀的基礎”。

皮布爾斯在阿爾伯特·愛因斯坦關於宇宙起源的工作的基礎上，回顧了大爆炸後的幾千年，當時光線開始向外射入太空。

他使用理論工具和計算，將大爆炸後輻射的溫度與其產生的物質數量聯繫起來。

'未知的事情'

他的工作表明，我們已知的物質——比如恆星、行星和我們自己——只佔宇宙的 5%，而另外 95% 是由“未知的暗物質和暗能量”組成的。

在電話採訪中，皮布爾斯說這些元素到底是什麼仍然是一個懸而未決的問題。

“雖然這個理論經過了非常徹底的檢驗，但我們仍然必須承認暗物質和暗能量是神秘的，”皮布爾斯說。

他後來在普林斯頓大學發表講話時補充說，他的想法並不是“最終答案”。

他說：“我們可以非常肯定，當我們發現不斷膨脹和進化的宇宙的新方面時，我們將再次感到震驚和驚訝。”

84 歲的皮布爾斯是美國普林斯頓大學的阿爾伯特愛因斯坦科學教授，而 77 歲的市長和 53 歲的奎洛茲是日內瓦大學的教授。 Queloz 還在英國劍橋大學工作。

1995 年 10 月，Mayor 和 Queloz 在他們位於法國南部的天文台使用定制儀器，能夠探測到一個與木星大小相似的氣態球，它繞著一顆距離我們太陽 50 光年的恆星運行。

利用一種被稱為多普勒效應的現象，這種現象會根據物體是接近還是從地球撤退來改變光的顏色，他們證明了這顆被稱為 51 Pegasus b 的行星正在繞其恆星運行。

“冰山一角”

“奇怪的新世界仍在被發現，”諾貝爾評審團指出，挑戰了我們對行星系統的先入為主的看法，並“迫使科學家修改他們關於行星起源背後的物理過程的理論”。

Mayor 是日內瓦大學的教授，而 Queloz 是他的博士生，他們的發現“引發了天文學革命”，從那時起，在我們的銀河系中發現了 4,000 多顆系外行星。

“我們在 25 年前發現的只是冰山一角，”奎洛茲告訴法新社。

儘管其他人猜測他們的發現配得上這個榮譽，但這個獎項的消息讓 Queloz 感到震驚。

“當我們發現這一發現時，很多人很早就告訴我這將是諾貝爾獎的發現。25 年來人們一直這麼說，在某個時候我只是說這畢竟不會獲得諾貝爾獎， “ 他說。

該獎項包括一枚金牌、一份文憑和總額為 900 萬瑞典克朗（約合 914,000 美元或 833,000 歐元）的獎金。

這三人將於 12 月 10 日在斯德哥爾摩舉行的正式儀式上接受卡爾十六世古斯塔夫國王頒發的獎項，這是 1896 年科學家阿爾弗雷德諾貝爾逝世的周年紀念日，諾貝爾在他的最後遺囑和遺囑中創造了這些獎項。

2018 年，美國的 Arthur Ashkin、法國的 Gerard Mourou 和美國的 Donna Strickland 獲得了用於矯正眼科手術和工業中先進精密儀器的激光發明。

今年的諾貝爾獎頒獎季於週一拉開帷幕，醫學獎頒給了美國人威廉·凱林和格雷格·塞門扎，以及英國的彼得·拉特克利夫。

他們因研究人類細胞如何感知和適應不斷變化的氧氣水平而獲獎，這開闢了對抗癌症和貧血等疾病的新策略。

今年化學獎的獲獎者將於週三公佈。

文學獎將於週四舉行，性騷擾醜聞迫使瑞典學院推遲 2018 年的頒獎典禮，這是 70 年來的第一次，兩名獲獎者將加冕。

週五，該行動移至授予和平獎的挪威，博彩公司支持瑞典青少年氣候活動家 Greta Thunberg。

經濟學獎將於 10 月 14 日星期一結束諾貝爾獎頒獎季。

新聞稿：2019 年諾貝爾物理學獎

瑞典皇家科學院決定頒發 2019 年諾貝爾物理學獎

“對我們理解宇宙演化和地球在宇宙中的位置的貢獻”

用一半到

詹姆斯·皮布爾斯
美國普林斯頓大學

“物理宇宙學的理論發現”

和另一半共同

米歇爾市長
瑞士日內瓦大學

和

迪迪埃·奎洛茲
瑞士日內瓦大學
英國劍橋大學

“發現圍繞太陽型恆星運行的系外行星”

暗物質和暗能量——宇宙學最大的謎團

自 1930 年代以來，我們就知道我們所能看到的並不是全部。對星系旋轉速度的測量表明，它們必須通過不可見物質的引力結合在一起，否則它們會被撕裂。早在原始湯放鬆對光子的控制之前，人們還認為這種暗物質在星系的起源中發揮了重要作用。

暗物質的組成仍然是宇宙學最大的謎團之一。長期以來，科學家們一直認為已知的中微子可以構成這種暗物質，但是以幾乎光速穿越太空的低質量中微子數量之多令人難以想像，無法幫助將物質聚集在一起。相反，在 1982 年，Peebles 提出重且慢的冷暗物質粒子可以完成這項工作。我們仍在尋找這些未知的冷暗物質粒子，它們避免與已知物質相互作用，構成了宇宙的 26%。

根據愛因斯坦的廣義相對論，空間幾何與引力相互關聯——宇宙包含的質量和能量越多，空間就越彎曲。在質量和能量的臨界值下，宇宙不會彎曲。這種類型的宇宙，其中兩條平行線永遠不會交叉，通常被稱為平坦的。另外兩個選擇是物質太少的宇宙，這會導致平行線最終發散的開放宇宙，或者物質太多的封閉宇宙，平行線最終會交叉。

宇宙背景輻射的測量以及理論考慮提供了一個明確的答案——宇宙是平坦的。但它所含的物質只夠臨界值的31%，其中5%是普通物質，26%是暗物質。其中大部分（69%）失踪了。 James Peebles 再次提供了一個激進的解決方案。 1984 年，他為重振愛因斯坦的宇宙常數做出了貢獻，該常數是真空的能量。這被稱為暗能量，佔宇宙的 69%。再加上冷暗物質和普通物質，就足以支持平坦宇宙的觀點。

14 年來，暗能量一直只是一個理論，直到 1998 年宇宙加速膨脹被發現（2011 年諾貝爾物理學獎授予索爾·珀爾馬特、布萊恩·施密特和亞當·里斯）。物質以外的東西必須對日益迅速的膨脹負有責任——一種未知的暗能量正在推動它。突然間，這個理論附錄變成了可以在天上觀察到的現實。

暗物質和暗能量現在都是宇宙學中最大的謎團。他們只會通過對周圍環境的影響來宣傳自己——一個拉，另一個推。否則，對他們知之甚少。在這個宇宙的黑暗面中隱藏著什麼秘密？未知的背後隱藏著什麼樣的新物理？在我們試圖解開空間之謎的過程中，我們還會發現什麼？

第一顆圍繞另一個太陽運行的行星

大多數宇宙學家現在都同意，大爆炸模型是關於宇宙起源和發展的真實故事，儘管現在只有 5% 的物質和能量為人所知。這片微小的物質最終聚集在一起，形成了我們在我們周圍看到的一切——恆星、行星、樹木和花朵，還有人類。是不是只有我們一個人凝視著宇宙？太空中的其他地方是否有生命存在，在圍繞另一個太陽運行的行星上？沒人知道。但我們現在知道，我們的太陽並不是唯一擁有行星的，銀河系中數千億顆恆星中的大多數也應該有伴隨的行星。天文學家現在知道超過 4,000 顆系外行星。發現了奇怪的新世界，與我們自己的行星系統完全不同。第一個是如此奇特，以至於幾乎沒有人相信這是真的。這顆行星太大了，不能離它的主星這麼近。

1995 年 10 月 6 日，米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲在意大利佛羅倫薩舉行的天文學會議上宣布了他們聳人聽聞的發現。這是第一顆被證明圍繞太陽型恆星運行的行星。這顆名為 51 Pegasi b 的行星圍繞其恆星 51 Pegasi 快速移動，該恆星距離地球 50 光年。完成它的軌道需要四天時間，這意味著它的路徑離恆星很近——離它只有八百萬公里。這顆恆星將行星加熱到超過 1,000°C。地球上的情況要平靜得多，它在距離太陽 1.5 億公里的地方繞太陽運行一年的軌道。

這顆新發現的行星也非常大——一個氣態球，可與太陽系最大的氣態巨行星木星相媲美。與地球相比，木星的體積是地球的 1300 倍，重量是地球的 300 倍。根據之前關於行星系統是如何形成的想法，木星大小的行星應該是在很遠的地方被創造出來的。

 

 

 

關於我們在宇宙中的位置的新觀點

今年的諾貝爾物理學獎旨在獎勵對宇宙結構和歷史的新認識，以及首次發現繞太陽系外太陽系恆星運行的行星。

詹姆斯·皮布爾斯對物理宇宙學的見解豐富了整個研究領域，並為過去五十年來宇宙學從推測到科學的轉變奠定了基礎。他的理論框架自 1960 年代中期發展起來，是我們當代宇宙觀的基礎。

大爆炸模型從大約 140 億年前的最初時刻開始描述宇宙，當時它非常熱和密集。從那時起，宇宙一直在膨脹，變得更大更冷。大爆炸後僅 40 萬年，宇宙就變得透明，光線能夠穿越太空。即使在今天，這種古老的輻射就在我們周圍，並且在其中隱藏著許多宇宙的秘密。使用他的理論工具和計算，詹姆斯皮布爾斯能夠解釋這些從宇宙初期開始的痕跡，並發現新的物理過程。

結果向我們展示了一個宇宙，其中只有 5% 的內容是已知的，即構成恆星、行星、樹木和我們的物質。剩下的 95% 是未知的暗物質和暗能量。這是對現代物理學的一個謎和挑戰。

1995 年 10 月，米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲宣布首次發現太陽系外的行星，即係外行星，它圍繞我們的母星系銀河系中的太陽型恆星運行。在法國南部的上普羅旺斯天文台，使用定制儀器，他們能夠看到行星 51 Pegasi b，這是一個可與太陽系最大的氣態巨行星木星相媲美的氣態球。

這一發現引發了天文學的一場革命，此後在銀河系中發現了 4,000 多顆系外行星。奇怪的新世界仍在被發現，它們的大小、形狀和軌道令人難以置信。它們挑戰了我們對行星系統的先入為主的看法，並迫使科學家們修改他們關於行星起源背後的物理過程的理論。隨著許多計劃開始尋找系外行星的項目，我們最終可能會找到其他生命是否存在的永恆問題的答案。

今年的獲獎者改變了我們對宇宙的看法。雖然詹姆斯·皮布爾斯的理論發現有助於我們了解宇宙大爆炸後宇宙是如何演化的，但米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲在尋找未知行星的過程中探索了我們的宇宙社區。他們的發現永遠改變了我們對世界的看法。

科普背景

關於我們在宇宙中的位置的新觀點

2019 年諾貝爾物理學獎旨在獎勵對宇宙結構和歷史的新認識，以及首次發現繞太陽系外太陽系恆星運行的行星。今年的獲獎者為回答有關我們存在的基本問題做出了貢獻。宇宙初期發生了什麼，接下來又發生了什麼？那裡可能有其他行星圍繞其他太陽運行嗎？

 

詹姆斯·皮布爾斯接管了擁有數十億個星系和星系團的宇宙。他的理論框架是他從 1960 年代中期開始經過 20 多年發展起來的，是我們現代理解宇宙歷史（從大爆炸到現在）的基礎。皮布爾斯的發現使我們對我們的宇宙環境有了深刻的認識，其中已知物質僅佔宇宙中所有物質和能量的 5%。剩下的 95% 對我們隱藏。這是對現代物理學的一個謎和挑戰。

Michel Mayor 和 Didier Queloz 探索了我們的家鄉銀河系，尋找未知的世界。 1995 年，他們首次發現了太陽系外的行星，即係外行星，繞太陽系恆星運行。他們的發現挑戰了我們對這些奇異世界的看法，並引發了天文學革命。超過 4,000 顆已知的系外行星形式豐富令人驚訝，因為這些行星系統中的大多數與太陽及其行星都不一樣。這些發現促使研究人員發展出關於行星誕生的物理過程的新理論。

大爆炸宇宙學開始

過去五年是宇宙學的黃金時代，研究宇宙的起源和演化。在 1960 年代，奠定了將宇宙學從推測轉向科學的基礎。這一轉變的關鍵人物是詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles），他的決定性發現將宇宙學牢牢地放在了科學地圖上，豐富了整個研究領域。他的第一本書《物理宇宙學》（Physical Cosmology，1971 年）啟發了新一代物理學家為該學科的發展做出貢獻，不僅通過理論考慮，而且通過觀察和測量。科學和其他任何東西都無法回答關於我們從哪裡來和我們要去哪裡的永恆問題；宇宙學擺脫了信仰和意義等人類概念。這與阿爾伯特·愛因斯坦上世紀初關於世界的奧秘如何是它的可理解性的說法相呼應。

宇宙的故事，關於宇宙演化的科學敘述，只有近百年來才為人所知。在此之前，宇宙一直被認為是靜止的和永恆的，但在 1920 年代天文學家發現所有的星係都在遠離彼此和遠離我們。宇宙正在成長。我們現在知道，今天的宇宙與昨天的不同，明天也會不同。

天文學家在天空中看到的景像已經被阿爾伯特·愛因斯坦 1916 年的廣義相對論預言了，該理論現在是所有關於宇宙的大規模計算的基礎。當愛因斯坦發現該理論得出空間正在膨脹的結論時，他在他的方程中添加了一個常數（宇宙學常數），該常數將抵消重力的影響並使宇宙靜止。十多年後，一旦觀測到宇宙的膨脹，這個常數就不再需要了。愛因斯坦認為這是他一生中最大的錯誤。他幾乎不知道宇宙學常數會在 1980 年代華麗回歸宇宙學，尤其是通過詹姆斯·皮布爾斯的貢獻。

宇宙的第一縷光芒揭示了一切

宇宙的膨脹意味著它曾經密度更大、溫度更高。 20世紀中葉，它的誕生被命名為大爆炸。沒有人知道一開始到底發生了什麼，但早期的宇宙充滿了一種緻密的、熾熱的、不透明的粒子湯，其中輕粒子、光子只是在周圍反彈。

將這種原始湯冷卻到幾千攝氏度需要將近 40 萬年的時間。原始粒子能夠結合，形成主要由氫和氦原子組成的透明氣體。光子現在開始自由移動，光能夠穿越太空。這些第一道光線仍然充滿宇宙。空間的膨脹拉伸了可見光波，因此它們最終處於不可見微波的範圍內，波長為幾毫米。

1964 年，兩位美國射電天文學家：1978 年諾貝爾獎獲得者阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜首次偶然捕捉到了宇宙誕生時的光芒。他們無法擺脫天線從太空各處拾取的持續“噪音”，因此他們在其他研究人員的工作中尋找解釋，包括對這種無所不在的背景輻射進行了理論計算的詹姆斯·皮布爾斯。近 140 億年後，它的溫度已降至接近絕對零（–273°C）。當皮布爾斯意識到輻射的溫度可以提供關於大爆炸中產生了多少物質的信息時，重大突破就出現了，並理解這種光的釋放在物質後來如何聚集形成星系和星系方面發揮了決定性作用我們現在在太空中看到的星團。

微波輻射的發現開啟了現代宇宙學的新紀元。來自宇宙初期的古老輻射已成為一座金礦，其中包含了宇宙學家想知道的幾乎所有事情的答案。宇宙的年齡是多少？它的命運如何？有多少物質和能量存在？

科學家們可以在這種寒冷的餘輝中找到宇宙最初時刻的痕跡，微小的變化作為聲波在早期的原始湯中傳播。如果沒有這些微小的變化，宇宙就會從熾熱的火球冷卻到冰冷而均勻的空虛。我們知道這並沒有發生，那個空間充滿了星系，通常聚集在星系團中。背景輻射是光滑的，就像海洋表面是光滑的一樣；這些波浪在近距離可見，漣漪揭示了早期宇宙的變化。

一次又一次，詹姆斯·皮布爾斯領導了對這些來自宇宙最早時代的化石痕蹟的解釋。宇宙學家以驚人的準確性預測了背景輻射的變化，並展示了它們如何影響宇宙中的物質和能量。

第一次重大的觀測突破出現在 1992 年 4 月，當時美國 COBE 衛星項目的主要研究人員展示了宇宙中第一束光線的圖像（2006 年諾貝爾物理學獎授予約翰·馬瑟和喬治·斯穆特）。其他衛星，美國的 WMAP 和歐洲的普朗克，逐漸細化了這幅年輕宇宙的畫像。正如預測的那樣，背景輻射原本均勻的溫度變化了十萬分之一度。隨著精度的提高，對宇宙中所含物質和能量的理論計算得到了證實，其中大部分（95%）對我們來說是不可見的。

他們是怎麼離恆星這麼近的？這個問題挑戰了現有的行星起源理論，並引發了新的理論，這些理論描述了大氣體球是如何在太陽系邊緣產生的，然後向內盤旋向主星。

精煉的方法導致了發現

追踪系外行星需要復雜的方法——行星本身不會發光，它們只是反射星光非常微弱，以至於它們的輝光被宿主恆星的明亮光所掩蓋。研究小組用來尋找行星的方法稱為徑向速度法；它測量主星的運動，因為它受到行星引力的影響。當行星圍繞其恆星運行時，恆星也會輕微移動——它們都圍繞共同的重心移動。從地球上的觀測點看，這顆恆星在視線中前後擺動。

這種運動的速度，即徑向速度，可以使用眾所周知的多普勒效應來測量——來自向我們移動的物體發出的光線更藍，如果物體遠離我們，光線更紅。這與我們聽到的效果相同，當救護車的聲音向我們移動時音調會增加，而當救護車經過時音調會降低。

因此，行星的影響會交替地將恆星光的顏色變為藍色或紅色；天文學家用他們的儀器捕捉到的正是這些光波長的變化。顏色的變化可以通過測量恆星的光波長來精確確定，從而直接測量其在視線中的速度。

最大的挑戰是徑向速度極低。例如，木星的引力使太陽以大約 12 m/s 的速度圍繞太陽系的重心移動。地球的貢獻僅為 0.09 m/s，如果要發現類地行星，這對設備的靈敏度提出了極高的要求。為了提高精度，天文學家同時測量數千個波長。使用光譜儀將光分成不同的波長，光譜儀是這些測量的核心。

1990 年代初期，當 Didier Queloz 在日內瓦大學開始他的研究生涯時，Michel Mayor 已經花費了多年時間研究恆星的運動，並在其他研究人員的幫助下構建了自己的測量儀器。 1977 年，Mayor 將他的第一台光譜儀安裝在位於馬賽東北 100 公里處的上普羅旺斯天文台的望遠鏡上。這允許大約 300 m/s 的速度下限，但這仍然太高，無法看到行星拉動它的恆星。

與研究小組一起，博士生 Didier Queloz 被要求開發更精確測量的新方法。他們利用了許多新技術，可以快速觀察許多恆星並在現場分析結果。光纖可以將星光傳送到光譜儀而不會使其失真，更好的數字圖像傳感器 CCD 提高了機器的光靈敏度（2009 年諾貝爾物理學獎授予高錕、威拉德博伊爾和喬治史密斯）。更強大的計算機使科學家能夠開髮用於數字圖像和數據處理的定制軟件。

當新的光譜儀在 1994 年春天完成時，必要的速度下降到 10-15 m/s，第一個系外行星的發現正在迅速逼近。那時，尋找系外行星並不是主流天文學的一部分，但 Mayor 和 Queloz 已經決定宣布他們的發現。他們花了幾個月的時間來完善他們的結果，並且在 1995 年 10 月，他們準備向世界展示他們的第一顆行星。

揭示了許多世界

首次發現繞太陽類恆星運行的系外行星，引發了天文學的一場革命。數以千計的未知新世界已被揭示。現在不僅可以通過地球上的望遠鏡發現新的行星系統，還可以通過衛星發現新的行星系統。美國太空望遠鏡 TESS 目前正在掃描超過 20 萬顆離我們最近的恆星，尋找類地行星。此前，開普勒太空望遠鏡帶來了豐厚的回報，發現了2300多顆系外行星。

隨著徑向速度的變化，現在在尋找系外行星時使用凌日光度法。如果這發生在我們的視線範圍內，這種方法可以測量當行星從它前面經過時恆星光強度的變化。過境光度法還允許天文學家觀察系外行星的大氣層，因為來自恆星的光在通往地球的途中經過它。有時兩種方法都可以使用；凌日光度法提供了系外行星的大小，而其質量可以使用徑向速度法確定。然後可以計算這顆系外行星的密度，從而確定它的結構。

迄今為止發現的系外行星以驚人的各種形式、大小和軌道讓我們感到驚訝。他們挑戰了我們對行星系統的先入為主的看法，並迫使研究人員修改他們關於行星誕生的物理過程的理論。隨著許多計劃開始尋找系外行星的項目，我們最終可能會找到其他生命是否存在的永恆問題的答案。

今年的獲獎者改變了我們對宇宙的看法。雖然詹姆斯·皮布爾斯的理論發現有助於我們了解宇宙大爆炸後宇宙是如何演化的，但米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲在尋找未知行星的過程中探索了我們的宇宙社區。他們的發現永遠改變了我們對世界的看法。