? [拳皇]最全解读:由于他们,人类从头熟悉自身在宇宙中的位置-惠州市惠阳区福盛乐器厂

[拳皇]最全解读:由于他们,人类从头熟悉自身在宇宙中的位置

时间:2019-12-27 18:20:13 作者:惠州市惠阳区福盛乐器厂 热度:99℃
流浪者13吨包裹烧成灰受益人槑中土世界

新浪科技讯北京时候10月8日晚间动静,瑞典皇家科学院方才公布,2019年度诺贝尔物理学奖将奖励“在增进我们对宇宙演化,以及地球在宇宙中地位的理解方面所做出的进献”。此中一半奖金授予美国普林斯顿年夜学的James Peebles,获奖来由是“对于物理宇宙学方面的理论发现。”另一半奖金授予瑞士日内瓦年夜学的Michel Mayor,以及瑞士日内瓦年夜学/英国剑桥年夜学的Didier Queloz,获奖来由是“发现了环绕其他类太阳恒星运行的系外行星”。

第一部门:物理宇宙学

▲Peebles和Jer Yu论文中给出的平展宇宙的功率谱,显示了声波峰值

现代宇宙学揭示了宇宙的汗青,以及宇宙中令人意想不到的物质和能量构成部门。与此同时,人们发现太阳远不是银河系中独一具有行星的恒星。新的发现显示,行星系统具有普遍的多样性。在曩昔的几十年里,我们对宇宙的理解发生了深刻的转变,也改变了我们对地球在宇宙中所处地位的观点。本年的诺贝尔物理学奖存眷的恰是这些冲破性的发现。

天文学家对宇宙微波布景(Cosmic Microwave Background,CMB)中温度各向异性的丈量越来越切确,对宇宙膨胀汗青的研究也加倍深切,同时对宇宙年夜型布局的天文不雅测也越来越具体,这一切都使宇宙学成长成为一门以切确性为标记的科学。

如斯令人兴奋的成长之所以成为可能,要感激曩昔半个世纪以来,物理学家们在宇宙学理论框架中的冲破性发现。本年的诺贝尔奖得主James Peebles在这个范畴做出了开创性的进献。他经由过程具体的建模,并操纵阐发和数值方式,对宇宙的根基属性进行了摸索,发现了意想不到的新物理学。此刻,我们有了一个同一的模子,可以或许描述宇宙从最初的几分之一秒到此刻以及远远将来的状况转变。

▲普朗克卫星丈量的CMB温度分布的各向异脾气况,声学峰值清楚可见

现代宇宙学成立在爱因斯坦广义相对论的根本上,假设了最初的“年夜爆炸”期间,那时宇宙极其高暖和浓密。年夜爆炸后不到40万年,宇宙温度下降到3000K摆布,电子与原子核得以连系成原子。因为没有留下任何能等闲与光子彼此感化的带电粒子,那时的宇宙对光是透明的。这种辐射此刻以宇宙微波布景(CMB)的形式呈现。因为宇宙学上的红移,CMB的温度今朝只有2.7K自物质和辐射往耦(decoupling)以来,这一系数降低了约1100倍。在图1中,CMB的来历可以当作一个屏幕,使我们无法等闲地回溯到年夜爆炸后几百万年以前的时候。

▲CMB中“点”的张角巨细是由宇宙的几何外形决议的

美国可骇小说作家埃德加爱伦坡是最早提出宇宙始于年夜爆炸这类不雅点的人之一,他在他的散文诗《尤里卡》(Eureka)中描述称,宇宙是有初步的,以此来注释为什么夜晚的天空是暗中的。这一题目后来被称为奥伯斯佯谬,由德国天文学家海因里希威廉奥伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)于1823年提出,指出若宇宙是稳恒态且无穷的话,那晚上应该是亮光而不是暗中的。在《尤里卡》中,爱伦坡甚至提出宇宙最初是一个“原始粒子”,然后爆炸了。

1922年,俄罗斯数学家、宇宙学家亚历山年夜弗里德曼(Alexander Friedman)操纵爱因斯坦新提出的广义相对论,初次提出了宇宙膨胀的数学理论。他在1924年进一步成长了本身的理论。1927年,这些不雅点被比利时上帝教神父和天文学家乔治勒梅特(Georges Lemaitre)从头发现,他后来提出了“原始原子”的概念。勒梅特还以为,星系之间正在彼此阔别,这一点可以用宇宙膨胀来注释。1924年,瑞典天文学家克努特伦德马克(Knut Lundmark)获得了近似的不雅测成果,尽管严密性和切确性有所不足。跟着美国天文学家埃德温哈勃(Edwin Hubble)在1929年的不雅测,人们遍及接管了宇宙现实上在膨胀的不雅点。

经由过程天文不雅测,我们领会到以核子形式存在于恒星、气体云等布局中的常规重子物质的数目,不跨越今朝总能量密度的5%。此外,暗物质占宇宙临界密度的26%。我们也可以称暗物质为看不见的物质,由于它既不发光也不接收光。到今朝为止,天文学家只能经由过程暗物质的引力效应来领会它。

宇宙中最主要的构成部门是宇宙学常数,它代表了不受膨胀影响的恒定能量密度。宇宙学常数是暗能量的两种模子之一,“暗能量”一词也申了然它随时候和空间转变的可能性。也就是说,暗能量纷歧定是量子场论中引进的常数,也纷歧定与真空能量有关。不雅测成果注解,暗能量约占宇宙临界密度的69%。跟着物质的其他成分被膨胀稀释,暗能量将跟着时候变得越来越主要(除非它的能量密度最先下降)。

暗能量可以迫使星系加快阔别彼此,这一点似乎并不直不雅,但倒是暗能量不平常属性的直接后果。图1的右半部门显示了宇宙加快膨胀的阶段,星系的数目逐渐稀少。在图1中,图中心橘红色的“火焰”显示的是年夜爆炸期间,这暗示着在年夜爆炸之前,可能还存在一个预备阶段,如膨胀阶段。天文学家假设存在一个快速加快的膨胀期间,这可以注释宇宙的几个特征,好比平展性。

宇宙的根基构成部门,以及它们之间若何彼此感化和演变的方程,组成了年夜爆炸宇宙学中的索引模子,有时称为ΛCDM(Λ-冷暗物质模子)。此中Λ为宇宙学常数,是注释当前宇宙不雅测到的加快膨胀的暗能量项;CDM即冷暗物质的英文缩写。这个模子是物理宇宙学的一次胜利,它系统地将物理定律应用于宇宙的演化。该模子最主要的创始人之一即是James Peebles,他出书的三本教科书《物理宇宙学》(1971)、《宇宙的年夜标准布局》(1980)和《物理宇宙学道理》(1993)已经成为该范畴主要的参考文献。

物理宇宙学的降生

20世纪40年月末,拉尔夫阿尔菲(Ralph Alpher)、罗伯特赫尔曼(Robert Herman)和乔治伽莫夫(George Gamow)成立了一个年夜爆炸的粗略模子。他们工作的一个首要目标是注释元素的发源。叶夫根尼利夫希茨(Evgeny Lif***z)和伽莫夫也在早期测验测验领会星系的形成。伽莫夫利用了由英国物理学家詹姆斯金斯(James Jeans)提出的“金斯长度”,这个长度决议了一个物体需要多年夜的半径才会在引力感化下坍缩。1948年,伽莫夫提出,只有当辐射的密度年夜致即是物质的密度时,宇宙布局才会最先形成,并发现这种环境应该在几千度的温度下才会发生。同年,阿尔菲和赫尔曼提出,今朝的宇宙温度应该在5K摆布。那时只有少数物理学家以为由此发生的辐射可以被不雅测到,安德烈多罗什克维奇(Andrei Doroshkevich)和伊戈尔诺维科夫(Igor Novikov)即是此中之二。

1965年春天,宇宙学发生了翻天覆地的转变。阿诺德彭齐亚斯(Arnold Penzias)和罗伯特威尔逊(Robert Wilson)在5月13日颁发于《天体物理学快报》(Astrophysical Journal Letters)上的一篇论文中,描述了他们发现的宇宙布景辐射,后来他们是以获得了1978年诺贝尔物理学奖。这一发现出乎良多人的料想。在与普林斯顿年夜学的团队(由Robert Dicke、Peebles、Peter Roll和David Wilkinson构成)联系之后,彭齐亚斯和威尔逊才大白了此中的宇宙学注释,并在统一卷杂志的另一篇论文(日期是5月7日)进行了描述。史蒂文温伯格(Steven Weinberg)在《最初的三分钟》(The First Three Minutes)一书中讲述了彭齐亚斯和威尔逊在偶尔间接触到年青的天体物理学家Peebles的过程。

固然Robert Dicke的团队没有第一个提出宇宙微波布景辐射的存在,但他们的论文更进一步,会商了宇宙初始高温状况的原因,这可以注释宇宙布景辐射。此中的要害在于温度和物质密度之间的联系,这决议了氦的产量。物质密度很主要,尤其是在温度下降到足以粉碎发生的氘时,并防止其酿成氦的时辰。宇宙密度越年夜,氦就越多。Peebles对这些不雅点进行了具体阐述,并由其他作者跟进。这种原始核合成理论与曩昔几十年的工作有很年夜分歧,那时人们以为年夜爆炸也可能发生较重的元素。

早在1965年颁发的里程碑论文中,Peebles等人就基于不雅测到的宇宙温度,会商了宇宙中重子物质(即由能介进元素形成的核子构成的物质)数目标限制。这是年夜爆炸模子的支柱之一。作者们还指出,天文学家不雅测到的现什物质量要比猜测的年夜得多,需要年夜量的外来物质来填补这一空缺。

此中一项主要进献是Peebles在统一年(1965)颁发的另一篇论文。他于1965年3月8日将其提交给《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal),于6月1日进行了点窜,并于11月15日颁发。论文摘要的第一句话写道:“星系形成的一个要害身分可能是宇宙中黑体辐射的存在。”这项工作,连同已故俄罗斯宇宙学家雅可夫泽尔***奇(Yakov Zeldovich)所做的进献,可以被视为物理宇宙学的出发点。在这个新范畴中,物理学定律合用于整个宇宙。从这一时刻最先,宇宙学成为了一门切确科学,并且是发现新物理学的东西。

物理宇宙学逐渐完整

第一个猜测布景辐射各向异性的研究职员是赖纳萨克斯(Rainer Sachs)和阿瑟沃尔夫(Arthur Wolfe)。他们的概念很简单:引力势的转变会影响不雅测到的宇宙微波布景辐射的温度。起首,当光子爬出其引力势时,密渡过高的区域会使其降温,从而导致温度的相对下降。其次,当我们回溯一个更早、更热的宇宙时,光子在最后一个散射概况往耦时,发生了时候膨胀,导致了温度升高。萨克斯和沃尔夫未能提出一个关于这些温度波动若何发生的理论,但他们的工作开导了后来者开辟出了新的不雅测手艺,发现了这些转变称为萨克斯-沃尔夫效应。

萨克斯-沃尔夫效应决议了年夜标准宇宙微波布景中各向异性的数目。在小标准上,物理学变得加倍复杂。密度的初始波动将导致“声波”(重子物质的法则周期性密度涨落)在耦合光子和重子的热等离子体中传布,从而在CMB中留下印记。Andrei Sakharov第一个会商了声波的主要性,但只是在没有光子的冷模子中。早期有近似设法的人还有Peebles和Zeldovich。Joseph Silk在1968年提出了一个主要的大要成果,那时他意识到,CMB各向异性的振幅因为散射而在小标准上受到了按捺。

经由过程Rashid Sunyaev和Yakov Zeldovich,以及Peebles和Jer Yu的研究,人们对声波及其在微波布景辐射功率谱中发生的峰值有了冲破性的熟悉。Sunyaev和Zeldovich注释了声波峰值背后的物理现象及其周期性。Peebles和Jer Yu则有分歧的存眷点,他们利用数值方式来计较和猜测可丈量的参数。他们在论文入彀算出了分歧宇宙学参数下密度波动的功率谱。特殊是,他们提出的声波峰值曲线(图3)与普朗克卫星40多年后的现实丈量(图4)成果很是相似。

物理宇宙学渐趋成熟

研究职员很早就意识到宇宙中可能存在某种未知构成成分。最早的证据来自Lundmark对于星系中恒星活动的研究。基于他的不雅测,他意识到有需要引进相当数目标“Dunkle Materie”,这是德文,意思是“暗物质”。数年后,Fritz Zwicky在研究后发座星系团的活动时,也获得了不异的结论。

之后,Vera Rubin和Kent Ford以及其他人获得了星系自转活动曲线。对于这一范畴的一项主要进献是由Jeremiah Ostriker和Peebles取得的,他们的研究发现,我们银河系的银晕内必需含有年夜量暗物质,才有可能确保扁平的银盘可以或许不变存在。这项发现对于后来的研究是一项主要启迪。以中微子,或者其他弱彼此感化粒子组成的暗物质帮忙促进了物质的形成,使后者得以在连辐射都还没有完全解耦的使其便最先堆积。

以光和快速移动中微子形式构成的热暗物质使得布局最先在年夜标准上最先形成。不幸的是,这一点与不雅测成果并不吻合,这就导致物理学家们最先追求摸索其他加倍奇异的可能性,并终极被回类为“温暗物质”。在上世纪1980年月,宇宙学呈现一次危机。基于开放宇宙假说,宇宙密度按照低于临界密度计较,获得的各向异性数据与不雅测不符。假如宇宙简直是开放的,那么各向异性应该已经被发现了。可是却并未看到任何如许的迹象。另一方面,假如通俗物质的密度接近临界密度,那么我们底子不成能不雅测到我们今天所看到的那些星系,由于它们底子不成能形成。

除此之外,为了让理论获得的轻元素猜测值正确,现存的通俗物质的量不成以跨越已经被发现的数目。Peebles在冷暗物质方面的开创性工作就在于,他最早设想了非相对论性,也是所以冷的暗物质,以及他在布局形成方面的感化。经由过程引进非相对论性粒子组成的冷暗物质模子,他成功将CMB中的各向异性应用于注释宇宙中的年夜标准布局。尤其,在他1982年颁发的文章里,Peebles对温度各向异性做了猜测,并在数年后获得了COBE卫星的不雅测证实。在1980年月中期,这一理论由其他科学家做了进一步的成长和丰硕。

1984年,Peebles采纳了下一个要害步调,他从头引进了此前已经被丢弃的宇宙常数。在曩昔的半个世纪里,年夜大都理论学家都以为这个参数是多余的,但Peebles以为它在宇宙布局形成方面是有意义的。那时Peebles是受到了宇宙暴涨理论,以及该理论导出的宇宙临界密度,以及平直性等相关思惟的开导。

因为现实丈量到的物质密度远小于宇宙达到平直性所需的门槛,宇宙常数的引进或许可以些许填补这一赤字。尽管也有其他一些研究简单提到了宇宙常数题目,可是只有当该理论与Peebles在1984年引进的冷暗物质理论相连系时,布局形成题目才能获得很好的注释。宇宙常数的引进将起到帮忙感化的题目还有其他,好比说所谓的“春秋题目”,简单说就是宇宙中一些恒星的春秋估算值跨越宇宙春秋的现象。假如宇宙是平直的,那么它将会逐渐减速,几乎是爱因斯坦静态宇宙论的惨白反复。

是以,假定将暗能量的题目忽略,那么宇宙的估算春秋将会更年夜。到1984年时,宇宙尺度模子中所需的所有构成部门都已经到齐了,其背后恰是Peebles所颁发的两篇要害性论文的连系。他所取得的这些冲破,比不雅测宇宙学决议性地确认宇宙存在加快膨胀现象早了10年以上,也比温伯格基于人择道理阐述的相关阐述要早5年摆布。

操纵星系的存在这一事实作为约束前提,温伯格以为,宇宙常数的值最有可能和接近或小于来自其他物质成分的进献。在1990年月中期,有需要引进宇宙常数的证据变得越来越强烈。1995年,Jeremiah Ostriker和Paul Steinhardt引进了“一致宇宙学”的概念,用于总结若何将宇宙学各部门的“拼版”组合到一路。那时,在不雅测宇宙学范畴取得了两项主要发现。

1992年,CMB中难以察觉的各向异性终于被COBE卫星初次不雅测到,也是以,John Mather和George Smoot两人被授予了2006年诺贝尔物理学奖。1998年,宇宙加快膨胀现象被发现,那时用的方式是操纵亮热核超新星作为间隔丈量标定,也是以,Saul Perlmutter,Brian Schmidt和Adam Riess被授予了2011年的诺贝尔物理学奖。

更多不雅测证据

年夜约是本世纪初,不雅测宇宙学履历了一场深刻变化。地基和搭载在气球上实施的尝试,好比TOCO,以及BOOMERanG,以及Maxima等尝试,在角分辩率上实现了年夜的晋升,从而在CMB能谱中识别出首个声学峰值,从而供给了宇宙平直性的首个不雅测证据。

这些尝试不雅测的仅仅是天空中的一小部门,直到2001年威尔金森各向异性探测器(WMAP)的发射,最进步前辈行对全天CMB各向异性的不雅测。这项为期9年的不雅测使命革命性的晋升了对于早期宇宙的丈量精度,也让宇宙学尺度模子经受了一次严苛的查验。温度强度分布图和偏振丈量被用于切确测算重子物质,暗物质以及暗能量各自所占的比重,以及宇宙的整体几何学外形。

除此之外,这些数据对于限制中微子总质量,而且验证了暴涨理论给出的,除了平直性之外的一项要害性猜测,即年夜标准上温度震动要比小标准上的响应震动要稍稍更较着一些。2009年升空的普朗克卫星在太空持续运行了4.5年,它将不雅测宇宙学的精度再次晋升到了一个极新高度。普朗克卫星有9个工作频率,其角分辩率可以达到10角分,而温度分辩率更是可以高达100万分之一。这颗卫星对宇宙尺度模子中的所有参数都进行了精度前所未有的测定。

这些精准的数值是从图4所示的能谱中提掏出来的。好比说,我们此刻知道宇宙的春秋年夜约是138亿年,误差小于1%。对于宇宙的成分密度,也进行了精度附近的丈量。当将这些丈量数据与超新星,以及年夜标准布局不雅测成果彼此连系彼此印证时,暗能量随时候演变的估算误差将会被年夜年夜限制,也是以,宇宙常数Λ的测定是具有很是坚实的不雅测根本的。相似的,暗物质的统计证据跨越了100个尺度差,这是物理宇宙学的一项主要胜利。

关于声学峰值的物理学总结

在细心核阅图4中的声学峰,尤其是前三个峰值之后,现代宇宙学的所有要害元素都将闪现。正如我们所见的那样,这些峰值的布局细节取决于构成宇宙的物理成分。这一布局的张角巨细,尤其是第一个峰值呈现的位置,是由宇宙的几何外形决议的。正如图5中所显示的那样,假如宇宙拥有正曲率,则CMB中的“点”看上往将会更年夜一些,近似一个球体,而假如曲率为负,那么看上往则会显得小一些,近似一个马鞍。而现实的不雅测成果显示,我们所处的宇宙似乎相当平直,其密度参数接近临界值。

第一个呈现的峰值,以及所有异常峰值,都是重子物质向引力势井中跌落所发生的。偶数数目标峰值对应于辐射被反弹回来时所发生的减压效应。重子物质越多,其坠进引力势井的深度就越深,响应的,第一个峰值相较于第二个也就要愈发现显得多。而第一个和第二个峰值之间差别水平暗示,重子物质年夜约只占到宇宙密度的5%摆布。较高的峰值对应于更多的震动,也相当于回溯到更早的时候,那时辰辐射占有有加倍要害的感化。

尤其是,第三个峰值对应的是减压之后的再次压缩,紧随厥后的是另一次由光子-重子流体所导致的压缩。暗物质在第一次压缩之后不会反弹回来,由于辐射不会对它发生影响。是以它可觉得重子物质的第二次坠落供给引力势井。这就意味着暗物质增强了第三个峰值。对其丈量成果显示,暗物质年夜约占到宇宙的26%。

我们此刻可以进行一项简单的计较来确定宇宙中暗能量的比重。第一个峰值告诉我们宇宙是接近平直的,是以计较的总和应该是1。是以:ΩΛ= 10.050.26 = 0.69,这就是说,宇宙中有69%的成分是暗能量,这与经过对宇宙膨胀的直接丈量成果相吻合。

瞻看

除了在注释宇宙布局和演化方面所取得的庞年夜成功,切确的宇宙学同时也是发现新的物理学的一种东西。我们仍然尚未理解宇宙常数背后的物理学。或许这一数值并很是数,也或许跟着时候而改变的暗能量在宇宙的演化过程中起到了要害性感化。Peebles已经考虑到了这种可能性。

除此之外,我们对于暗物质的素质也同样是全无所闻。比力风行的理论包罗以为它是由一种全新粒子所组成,好比某种已知粒子的超对称粒子,或者爽性是某种此前完全未知的,理论上存在的粒子,好比所谓“轴子”(axion),这种设想中的粒子可以用来很好的注释强核力现象。可是直到如许一种粒子真的被找到之前,我们还无法确认今朝并存的几种关于冷暗物质素质的理论中,事实哪一种才是准确的。

他的理论与不雅测的吻合水平令人震动,而且其所用到的参数数目很是少。可是,到今朝为止,仍然存在难以获得圆满注释的现象。好比对晚近宇宙中哈勃参数的丈量成果,与按照宇宙微波布景辐射(CMB)理论给出的猜测值之间并不完全吻合。这此中事实存在什么题目?今朝我们并不知晓。或许这是丈量中发生的系统性误差,但也可能新的物理学中仍然有埋没着的,我们今朝尚未可知的部门。物理宇宙学,游走于理论与不雅测之间,组成了一个极为成功的故事框架,在曩昔的50年间改变了我们对于宇宙的熟悉。

曾几何时,宇宙学是一门充溢着没有坚实依据的猜想,数据也少得可怜。但今天,宇宙学已经长年夜为一门切确的数学科学,愈发切确的不雅测数据正阐扬要害性感化。发现的时代并未终结。跟着丈量精度越来越高,我们将有可能发现全新的,此前未能预料到的现象。物理宇宙学将为我们带来更多惊喜,而Peebles恰是阿谁将我们引向发现的领路人。

第二部门:一颗环绕类太阳恒星运行的系外行星

自古以来,人类就一向在猜测是否存在一些近似于我们所处的太阳系如许的世界,并且几千年前就表达过一些极真个不雅点。在现代,不雅测环绕太阳以外的恒星运行的行星的可能性早在50多年前就被提出,而且成立在恒星径向速度的丈量根本上。然而,在1952年Otto Struve初次提出这个设法之后的几十年里,艰难的手艺挑战仍然是一个首要的障碍。

Struve无法找到令人信服的来由,为什么“基于假设的恒星行星”(hypothetical stellar planets)不克不及比太阳系中的环境更接近它们的母星。我们此刻知道没有如许的原因,我们本身所处的太阳系可能底子不具典型性。

▲Elodie光谱仪工作示意图

20世纪80年月初最先了几回不雅测勾当,目标是不雅测恒星伴星。在描述这一新的研究范畴的出书物题目中利用诸如“亚恒星伴”或“低质量伴星”之类的词语,反映了那时对搜刮系外行星作为高度优先的科学方针的某种思疑。

操纵多普勒效应(Doppler effect)丈量径向速度的道理如图1所示。假如倾角i为00,则轨道的平面与天空平行,“面临面”(face-on),这意味着地球上的不雅测者看到的是面临面的轨道,而不会发生多普勒偏移。另一个极端是“边沿”不雅测(i=900),在这种环境下,行星质量可以直接确定。凡是,因为倾斜角度未知,是以只能确定MPlanet×sin(I),从而为行星的质量设置了一个下限。

▲51 Pegasi的轨道相位。两个峰值之间的间隔给出了轨道周期,对应于59m/s的半振幅给出了MJ/sin(I)信息

因为木星环绕太阳的轨道活动,从远处监督太阳系的人会不雅察到太阳在12年内的径向速度转变为±13m/s。这给任何不雅测仪器带来了严重的挑战,尤其是要确保它在几年内很是不变,好比说≤2m/s。

选择分歧的策略来丈量多普勒偏移。Gordon Walker和他的团队,包罗加拿年夜温哥华的不列颠哥伦比亚年夜学(UBC)的Bruce Campbell,咨询了那时加拿年夜(和世界)卓异的分子光谱学家:1971年诺贝尔化学奖得主Gerhard Herzberg和他的同事Alexander Douglas。他们保举利用氟化氢(HF)气体作为参考光谱的来历,以便与恒星光谱进行比力。作为参考,HF是一个很好的选择,但从适用的角度看就不那么好了。这种化合物有毒,侵蚀性很强。UBC小组在加拿年夜-法国-夏威夷千里镜(CFHT)一个3.6米的千里镜长进行了星际伴侣的搜刮。HF接收池(absorption cell)被插进到Coudé光谱仪的狭缝前面,是以来自HF的接收线可以叠加在恒星的光上。这种手艺答应以13m/s的精度进行径向速度丈量。

图为已知系外行星的“轨道周期-质量”(左图)和“轨道周期-半径”(右图)分布环境。除径向速度法和凌日法之外(年夜大都系外行星都是操纵这两种方式发现的),天文学家还采用了成像法和微引力透镜法。操纵径向速度法发现的年夜大都系外行星都不会发生凌日现象,是以只知道它们的质量、不清晰它们的半径,操纵凌日法发现的行星则恰好相反。但有些系外行星则两种方式均合用,是以半径和质量都得以确定。位于左上角的系外行星被称作“热木星”,右上角的被称作“温木星”,下方的则是“超等地球”。

Geoffrey Marcy(加州年夜学伯克利分校)和Paul Butler(那时是马里兰年夜学的博士生)利用了与UBC组近似的方式,但利用的是分子碘(I2)而不是HF的接收池。在这个案例中,研究职员还咨询了格哈德赫兹伯格(Gerhard Herzberg)。I2的光谱凡是被激光光谱仪用作参考。Marcy和Butler在加利福尼亚年夜学Lick天文台的3米反射千里镜上用梯级光谱仪进行了不雅察,该天文台位于圣何塞以东的汉密尔顿山上(Mount Hamilton)。

日内瓦年夜学的Michel Mayor和他的合作者一向在法国东南部的上普罗旺斯天文台(Haute-Provence Observatory)研究恒星的多重性,那时他们设计了一台新的梯形光谱仪。与马赛天文台的AndréBaranne和上普罗旺斯天文台的同事合作,他们建造了Elodie光谱仪,这是CORAVEL的更新版,后者已经在上普罗旺斯天文台利用了十多年。

为了查询造访不仅仅长短常敞亮的恒星,Mayor和合作者选择了一种不包罗接收池和狭缝的解决方案。取而代之的是,他们有一台光纤馈送的梯形光谱仪,其明白的意图是避免电池的错误谬误,对于这种电池,合适的对象仅限于太阳系四周的敞亮恒星。利用Elodie的目标是扩年夜可以应用周详多普勒光谱学的对象的数目。

这张艺术概念图描画了一颗年青的恒星被一圈由气体(首要为氢气和氦气)和尘埃组成的原行星盘所包抄的情景。在原行星盘中,行星的形成分为两步:第一步,尘埃颗粒彼此撞击、形成微行星;第二步,最年夜的微行星经由过程砾石吸积逐渐增加,形成原行星。

1995年头的环境看起来并不是很有但愿。十五年来的天空搜刮一无所得。只有一份关于环绕脉冲星运行的行星的早期陈述显示出了但愿,但这仅仅是由于脉冲星使行星更轻易被探测。毫秒射电脉冲星PSR1257+12供给了一个“内置”计时系统,用于揣度至少有两个地球巨细的天体正在环绕中间天体运行。然而,这项手艺不克不及用于类太阳恒星。

此次不雅测是在波多黎各305米阿雷西博天文台(Arecibo Observatory)射电千里镜的微波区域进行的。比拟之下,研究职员一向在利用光学区域来搜刮绕类太阳恒星运行的系外行星。环绕脉冲星运行的行星可能是与快速扭转的中子星(脉冲星)PSR1257+12的形成有关的超新星爆炸的成果,是以不克不及代表类太阳行星的形成。事实上,我们此刻知道脉冲星四周的行星形成可能是罕有的,由于在2000多颗已知的脉冲星中只有几颗有行星系统。

Gordon Walker和他的合作者,包罗1988年论文的合著者Stephenson Yang,在1995年8月的Icarus杂志上评论了这种环境。他们不仅回首了曩昔12年中研究过的21颗敞亮的类太阳恒星,还对木星质量伴星(Jupiter-mass companion)进行了其他搜刮。他们的结论是,没有探测到木星质量或更年夜的行星环绕类太阳恒星运行。他们在摘要中的最后一句话是,“这种缺掉对行星形成的理论提出了一个有趣的挑战。”

具有嘲讽意味的是,由本年的获奖者、Mayor和Didier Queloz撰写的冲破性论文于8月29日被《天然》杂志收到,即Walker和他的同事在Icarus上颁发其评论的统一个月。Mayor和Queloz于10月6日在佛罗伦萨进行的第九届剑桥冷星、恒星系统和太阳钻研会(Cambridge Workshop of Cool Stars,Stellar Systems and the Sun)上陈述了他们的发现,他们的论文于10月31日被接管颁发,并于11月23日颁发。他们的变化性发现永远改变了我们对人类在宇宙中的地位的不雅念。

发现

Elodie梯形光谱仪答应Mayor和Queloz筹谋一个包罗142颗恒星的不雅测打算,远远跨越其他组织在早期勾傍边可能的不雅测数目。早在1994年秋天,他们就发现飞马座中51飞马星(51 Pegasi)的径向速度有年夜约四天的周期转变。

这是令人惊奇的,由于按照那时独一可用的数据点我们本身的太阳系木星质量的伴星应该有更长的时候。只需四天时候,意味着木星质量伴星到51 Pegasi的间隔仅为0.05天文单元(AU),是木星与太阳之间间隔的百分之一。

另一方面,较短的周期给Mayor和Queloz供给了研究几个完整周期的机遇。具有很是短的时候的另一个长处是,它可以被其他径向速度组很是快速地查抄和验证。在冲破性文件的修订版中,获奖成员感激“一个在Lick天文台工作的团队,以及来自High Altitude天文台和哈佛-史密森天体物理中间的结合团队”确认了这一发现,他们是Marcy、Butler、R.Noyes、T.Kennelly和T.Brown。

第二年,Marcy和Butler颁发了两个木星质量行星的发现,别离环绕70 Virginis和47 Ursae Majoris轨道运行。对木星质量伴星51 Pegasi b简直认的完整描述在之后不久颁发。

51 Pegasi b的轨道周期为4.23天,近似圆形,质量为0.47×MJ/sin(I),此中MJ为木星的质量。概况温度估量为1300K(开尔文,热力学温度单元),而木星的温度为130K。

第一颗环绕类太阳恒星运行的系外行星的发现最初碰到了一些保存定见。众所周知,恒星脉动和恒星斑(star spot)连系扭转可能会导致误报。木星质量行星的轨道周期极短,也很难与我们太阳系的布局相协调。

可是,Mayor和Queloz在他们的冲破性论文中令人信服地否决这种恒星效应,而其他小组的快速验证也强化了他们的论据。其他研究职员很称心识到,51Pegasi b不成能是在0.05AU的间隔上形成的,而是在间隔宿主恒星更远的处所形成的,好比5AU。并且,迁徙使它接近宿主恒星。因为原行星盘和行星的彼此感化,理论上已经猜测到了迁徙,是以撑持这一迁徙的不雅察成果并不完全令人惊奇。

在这一发现的五年后,当第一篇评论“后51Pegasi”呈现时,已经发现了34颗环绕类太阳恒星运行的系外行星所有的思疑都早已消逝。

系外行星布满活力的天体物理学新范畴

51 Pegasi拥有一颗质量与木星相当的伴星,1995年的这一发现标记取一片全新的天体物理学范畴就此开启,即对系外行星与行星形成过程的研究。就对天文学界和新摸索使命的影响而言,Mayor和Queloz做出的这一发现可以与Arno Penzias和Robert Wilson在1965年发现宇宙微波布景相媲美(该发现于1978年获得了诺贝尔物理学奖)。

在系外行星研究最先的最初五年间,天文学家采用的首要方式为操纵多普勒光谱法测定径向速度。不外其它方式很快便应运而生。从地球上看,当一颗行星从宿主恒星前穿过期,恒星的部门光线会受到遮挡,导致地球上丈量到的光子通量有所削减。这就是不雅测凌日行星的根基道理。2000年头,天文学家初次陈述称不雅察到了这一现象。欧空局2006年发射的对流扭转和行星横越使命卫星(CoRoT)最早在太空中操纵了这一方式,而2009年NASA发射开普勒卫星之后,该方式最进步前辈进壮盛期间。因为这两颗卫星不变性极高(这一点对凌日侦测法很是主要),在开普勒卫星服役的9年间,不雅测到的系外行星光度学数据库敏捷增添到了数千颗之多。

天文学家不雅察到的这颗伴星质量与木星相当,轨道周期却极短,这年夜年夜挑战了人们对行星形成过程的常规认知,并使行星早期迁徙猜测成为了研究职员存眷的重点。图4显示了已知系外行星和太阳系行星的质量、半径、以及轨道周期分布环境。

在曩昔20多年间,得益于系外行星的发现,天文学家对行星形成的物理过程的领会取得了庞猛进展。但与此同时,该题目标复杂性也日益增添。

行星降生于环绕新生恒星扭转的气体(首要为氢气和氦气)和尘埃颗粒(非晶硅、碳化合物和冰)之中(见图5)。尘埃颗粒在静电感化下逐渐凝集成更年夜的块状物。这一过程很年夜水平上取决于介进此中的碰撞能量,而碰撞能量又取决于气体和尘埃盘的动荡水平(天文学家对此还不甚领会)、以及在与气体彼此感化的过程中朝**恒星发生的辐射迁徙。体积更年夜的颗粒物形成后,它们会在引力感化下进一步堆积、增加,进而形成直径从几百米至100公里不等的“微行星”。微行星之间的彼此碰撞可能会将其摧毁,也可能形成更年夜的微行星体。微行星增加到必然巨细之后,“砾石吸积”(pebble accretion)便成了主导的增加机制,在此根本长进一步形成原行星、终极形成行星。但这一过程中还有很多细节尚不清晰。

此刻与将来

不久前的2018年4月18日,NASA的凌日系外行星巡天卫星(TESS)发射升空。在轨运行的两年间,它将对85%的天空睁开勘测,比开普勒卫星的探测区域年夜400倍。TESS卫星将着重寻找环绕太阳系四周恒星运行的行星,而这些行星的特征将借由地面不雅测手段予以确定。

现在,已经有约3000个行星系中的4000多颗系外行星获得了确认。凌日行星尤其适合开展年夜气探测。早在2001年,天文学家就不雅察到了证实年夜气存在的首个“印记”:589.3纳米的钠共振双线。自此之后,天文学家又接踵不雅察到了以气体形式存在的二氧化碳和水等分子。科学家不雅测到的年夜气层首要存在于气态巨行星之上,但就在不久之前,研究职员在体积更小的非气态行星上成功探测到了水的存在。

近年来,跟着天文学家不雅测到了一些位于宜居带中、概况可以或许撑持液态水存在的类地行星,天然有人提出疑问:这些行星上是否有生命存在?固然今朝尚未在系外行星上探测到生命,但将来的系外行星特征探测卫星(CHEOPS)、詹姆斯韦伯太空千里镜、行星凌日和恒星振动使命(PLATO)、以及极年夜千里镜(ELT)等地面使命都将配备进步前辈仪器,在类地行星年夜气中寻找生命存在的迹象,如臭氧和甲烷等等。

最后,近期研究还提出了操纵系外行星年夜气层研究不同气候系统的可能性。就像行星形成所涉及的物理原理一样,系外行星的多样性也为我们研究不同种类的大气层、以及气候的其它方面开拓了一片全新的疆域。观测技术正在迅速推陈出新,将进一步扩展理论测试的参数空间。从长期来看,这片全新的研究领域将帮助我们更好地了解地球大气。


声明:本文内容由互联网用户自发贡献自行上传,本网站不拥有所有权,未作人工编辑处理,也不承担相关法律责任。如果您发现有涉嫌版权的内容,欢迎发送邮件至:97996288@qq.com 进行举报,并提供相关证据,工作人员会在5个工作日内联系你,一经查实,本站将立刻删除涉嫌侵权内容。