作者：蔡一夫鄢盛丰

(中国科学技术大学物理学院天文学系)

摘要年诺贝尔物理学奖同时授予了系外行星和宇宙学领域，诺奖委员会给出的理由是“为我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置做出的贡献”。这两个领域在近二三十年内展现出了蓬勃的生机，系外行星和外星生命的研究到了本世纪伴随先进技术的发展有了爆发式的发现；进入新世纪后，宇宙学领域已经获得4次诺贝尔奖，分别是宇宙背景探测者卫星、宇宙加速膨胀的发现、引力波的探测，以及此次诺贝尔物理学奖，它们使当代宇宙学获得了广阔的发展前景。文章就本次诺奖热点话题展开，对系外行星和宇宙学两大领域做概括性的科普解读。具体介绍马约尔和奎洛兹在系外行星领域的发现，系外行星的探测手段和发展前景，以及宇宙学领域的发展简史，皮布尔斯在该领域的贡献，和目前宇宙学领域的一大研究热潮，即原初引力波的探测。作者借此文抛砖引玉，期待更多年轻学者能加入到天文学和宇宙学的研究中，在新时代的浪潮下推动该领域获得更重大的突破。

关键词诺贝尔物理学奖，系外行星，宇宙学，原初引力波

年诺贝尔物理学奖授予天文学家米歇尔·马约尔(MichelMayor)与迪迪埃·奎洛兹(DidierQueloz)以及理论宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯(JamesPeebles)(图1)，以表彰马约尔和奎洛兹在系外行星发现上做出的突出贡献，还有皮布尔斯从理论角度为现代宇宙学物理体系的建立做出的杰出贡献。以他们三人为代表的科学家们为人类在现代科学的框架下重新认识自身与宇宙的关系提供了重要思路。一方面让人类重新思考我们所生活的这个星球在宇宙中是否是独一无二的，这对探索系外宜居星球和寻找外星生命非常重要；另一方面让我们能够更加精准地把握宇宙演化的历史脉络，能更加清楚地了解宇宙的前世今生。此三人中，实验天文学家马约尔和奎洛兹一起发现了飞马座51b，这是人类发现的第一颗绕着类太阳恒星飞马座51运转的系外行星；而理论宇宙学家皮布尔斯在原初核合成、暗物质、宇宙微波背景辐射(CMB)和大尺度结构形成等现代宇宙学的重要领域做出了关键的理论贡献，是开拓精确宇宙学时代的标志性领军人物。

图1年诺贝尔物理学奖获得者：JamesPeebles(左)、MichelMayor(中)、DidierQueloz(右)

人类自诞生之日便开始了解我们生活的这个星球，虽然中间经历了一段自认为全宇宙独一无二的时期，但后续的发展让我们也重新认识到了自身的不唯一性，更甚者还有多宇宙假说。行星是指自身不发生核聚变反应发光并围绕恒星运转的天体。这样的天体有可能适合生命的存在，例如，地球和火星。自19世纪以来便有观测报道声称有发现系外行星的踪迹，但是都未曾被确切证实过，而且有一些由于光度太低，无法辨别是系外行星还是其他恒星的变种，例如低质量的褐矮星。

早在年，加拿大天文学家布鲁斯·坎贝尔(BruceCampbell)等人就曾报道过发现系外行星的疑似证据，他们利用视向速度法发现距离地球大约45光年外的恒星双星系统少卫增八(仙王座γ，GammaCephei)存在一枚绕其公转的行星。然而由于当时的观测技术有限，导致观测数据质量不佳，因此，包括发现者本人在内的大批天文学家都对这一观测结果有所保留。随后，越来越多的天文观测倾向于支持少卫增八拥有行星，并最终于年在麦克唐纳天文台的新测量数据支持下，这枚系外行星的存在才获得了天文学界的公认，但也因此使它错过了成为首枚被人类发现的系外行星。

年10月6日，日内瓦大学的马约尔和奎洛兹师徒二人宣布首次发现一颗普通主序星(飞马座51)的行星(飞马座51b)，该行星距离地球大约51光年。这一发现打开了当代系外行星发现的先河。先进的技术，特别是高分辨率光谱学，大大加速了新系外行星的发现。这些新技术让天文学家可以凭借行星对恒星的引力影响或光度变化来实现间接探测系外行星的存在[1]。

飞马座51b是被发现的第一颗围绕类似太阳的主序星(飞马座51)公转的系外行星，也是典型的热木星。这一重大发现当年发表在《自然》杂志上，作者们宣称利用径向速度法，通过普罗旺斯天文台的埃洛迪摄谱仪发现了这颗行星。紧接着几天后，美国天文学家们使用加州圣何塞附近的利克天文台的汉密尔顿摄谱仪也证实了这一发现。自其被发现后，许多天文团队通过观测证实了该行星的存在，并获取了大量数据。该行星的轨道周期为4个地球日，其轨道与母星的距离比水星到太阳的距离近得多，轨道速度为km/s，质量下限是木星质量的一半。当时，一颗如此靠近其母星的巨行星的存在是与行星形成理论相悖的，因此被认为是一种反常现象。然而，在此之后又陆陆续续发现了众多的热木星，这使得天文学家开始研究行星的轨道迁移现象并重新审视了之前传统的行星形成理论。

对于地球上的观测者来说，系外行星相较于母恒星一般都非常暗淡，所以它们普遍是很难探测到的。直接通过拍照获得影像的系外行星不仅很大，而且离母星也相对较远，多数还很热，因此它们会发出强烈的红外辐射，这样通过红外辐射和可见光都可以进行观测，然而绝大多数系外行星都只能间接地进行观测，所以这里简单介绍一些非常有用的间接观测方法[2]。

行星围绕恒星公转时，实际上它们构成了一个双体系统，共同围绕质量中心运转，这样在我们的视线方向上，恒星就有微小的径向速度，即接近和远离地球，那么它的谱线上就会出现微小的多普勒效应而被捕捉到。这种方法被称为径向速度法(图2)，适用于各种性质的恒星，但是无法确知行星的质量，是发现系外行星最有成效的方法。第二种是凌日法，顾名思义，这便是当一颗行星从母星前方经过时，能够观测到母星的亮度有十分微小但可探测的变化。但是当恒星系统中存在多个行星时，行星凌日的周期就会有微小的摄动，这个摄动就可能是其他行星存在的证据，这种方法叫凌日时间变分法。除此之外，恒星可以产生微引力透镜，会放大背景天体的光，如果我们发现探测到的光度会随时间产生异常放大，那么就有可能是透镜天体有行星造成的，这种方法叫引力透镜法。如果中心恒星是脉冲星，那么其行星会使脉冲星有轻微的运动，这样通过测量脉冲星脉冲周期的微小变化也可以探测到其行星的存在。目前也有很多在发展的探测方法，不过它们都是伴随着观测技术的进步而发展的。

图2径向速度法示意图。在我们的视线方向上，恒星会轻微的接近和远离地球，它的谱线上就会因出现微小的多普勒效应而被捕捉到(图源：TheRoyalSwedishAcademyofSciences)

值得强调的是，我们发现太阳系外存在行星，特别是如果这些行星的轨道恰好位于宜居带并且表面极有可能覆盖液态水的话，那么孕育出生命的概率就会大幅提高，这也大大增强了人类探索外星生命的兴趣。截至目前，已经发现并确认了超过颗系外行星，而在这些行星中处于疑似宜居带的类地行星不在少数(图3)，在这些流浪于太空中的星体上会不会也存在其他的生命体，长期被科学家们所关心。那么，不妨回顾一个古老的问题：“在这广袤的宇宙中，我们人类是不是唯一存在的高等智慧生命体呢？”

图3地外行星系统示意图。绿色条带为宜居带，适合生命存在，靠恒星太近就太热，太远则太冷(图源：ScienceDaily.