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2019年10月8日，天文物理学家詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）、米歇尔·梅厄（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）共享了今年的诺贝尔物理学奖。其中，皮伯斯获奖理由是物理宇宙学的理论研究，而后两位科学家因发现首个围绕类日恒星运行的系外行星而获奖。 詹姆斯·皮布尔斯 詹姆斯·皮布尔斯1935年4月25日出生于加拿大的温尼伯，加拿大-美国物理学家和理论宇宙学家，普林斯顿大学阿尔贝特·爱因斯坦荣誉科学教授。 皮布尔斯是研究宇宙微波背景辐射的专家。早期宇宙是极高温度和极高密度的均匀气体——当然其实宇宙早期的气体并不是完全均匀的——但是，总之，随着宇宙的膨胀，尺度因子变大，早期宇宙的温度就反比例地降低了，为什么是反比例降低呢？ 因为宇宙的尺度因子和光子波长成正比，随着宇宙的膨胀，尺度因子变大。因此光子波长正比例变长。同时因为波长和频率的乘积是光速，是一个常数，所以光子的频率与宇宙的尺度因子成反比。这就是宇宙学红移将引起光子的能量变低。能量在热力学上是波尔兹曼常数和温度的乘积，能量同时与光子频率成正比，所以光子的频率应该与温度成正比。所以总的结果是，尺度因子应该与温度成反比。 一开始，宇宙中是一堆氢离子和氦离子以及电子组成等离子气体，并没有自由光子。在高中物理中，我们知道，氢原子的最低能级是-13.6电子伏特，所以，只要存在能量超过13.6ev的光子气体，氢原子里的电子就会被光子打出来，成为离子状态。这个时候的光子是不自由的，经常与电子碰撞，它们不能跑出来——这就好像一个电影明星穿过一个菜市场，大家都找她签名，明星是不自由的，根本跑不出那个菜市场。 当宇宙的温度降低到退耦温度(T=0.26eV，相当于3000K)以下时，质子与电子才会结合起来生成氢原子。当大多数自由电子被质子俘获后，光子就可以自由地在宇宙中传播，即宇宙对光子变得透明了——这发生在宇宙大爆炸的38万年以后。这就是我们能够观察到的宇宙中最早也是最古老的光，它携带了宇宙大爆炸后遗留下来的信息。由于宇宙学红移，现在观察到大爆炸后遗留下来光子频率的极大值已经移 动到了微波波段，这就是宇宙微波背景辐射被发现的历史故事。 1965年，贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊意外地发现了宇宙最早的光。他们在波长为7.35厘米的长波段发现了温度为3.5K的不明信号——这个温度是根据电子学里的纳奎斯特定理估计出来的。这个信号非常特别，就是无论你如何改进探测仪器，它永远如影随形，不可消除。这个信号甚至与时间无关，与空间无关。也就是说，在任何季节，这个信号存在，在天空的任何方向，这个信号也存在。 作为工程师，彭齐亚斯和威尔逊完全不懂宇宙学，他们刚开始以为，这事情真是见鬼了，他们甚至清除了微波天线上的鸽子粪，但这个神秘信号依然存在。于是他们把观测结果写了一个1000字的文章发表出去了，意思在排除了微波天线上的鸽子粪以后，这些信号依然存在，他们指出这个神秘信号是来自远处的辐射背景。但具体是什么需要得到科学家的解释。普林斯顿大学的科学家迪克和皮布尔斯也在同一期的《天体物理杂志》上详尽地讨论了彭齐亚斯和威尔逊发现的信号的宇宙学意义：这个信号可能来自宇宙大爆炸。 这项工作解释了宇宙微波背景辐射的本质，开启了一个宇宙学研究的新时代。 米歇尔·梅厄和迪迪埃·奎洛兹 1992年，亚历山大·沃尔兹森（Aleksander Wolszczan）首次发现系外行星，这颗系外行星围绕脉冲星PSR 1257运行。3年后，在日内瓦大学的梅厄和奎洛兹更进一步，他们在《自然》杂志上发表论文，宣布在利用径向速度测量(多普勒光谱)对飞马座51（51 PEGASI）进行分析的过程中，首次发现围绕主序星运行的系外行星。一周后，加利福尼亚的立克天文台证实了他们的发现。这项发现成为了天文学研究的重要转折点，促进了新的探测仪器的发展，以及促进了对行星形成和演化的理解。此后天文学家开始接受巨行星可以存在于短周期轨道的事实。这项发现使得更多的天文望远镜开始参与系外行星的搜寻。目前，人类发现的系外行星数量已经有4000多颗。 米歇尔·梅厄（Michel Mayor）生于1942年1月12日，他是日内瓦大学天文学系的天体物理学家和荣誉教授。已经于2007年正式退休，但之后仍在日内瓦天文台担任研究员。他是2010年维克托·汉巴久缅国际奖的共同获奖者，以及2015年京都奖的获得者。梅厄拥有洛桑大学的物理学硕士学位（1966）和日内瓦天文台的天文学博士学位（1971）。 迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）是瑞士天文学家，1995年在瑞士日内瓦大学获得博士学位，当时他和博士导师梅厄一起发现了第一颗围绕主序星的系外行星。随后，奎洛兹教授参与了一系列精密摄谱仪的研发，大大提高了多普勒技术的精度。2013年，他成为剑桥大学教授，对宇宙中系外行星的形成、结构和宜居性进行深入的研究。2017年,奎洛兹获得沃尔夫物理学奖。 |
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