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  • 发现系外行星是怎样做到的

        宋楠

        2019年10月8日,瑞典皇家科学院宣布了2019年诺贝尔物理学奖的归属。本次诺奖颁发给了两个领域,其中来自瑞士的米歇尔·马约尔教授和迪迪埃·奎洛兹教授,因为“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”,而分享了本届诺贝尔物理学奖的一半奖金。

        系外行星是目前十分热门的一个研究领域,特别是这个研究与发现外星生命有关,更吸引了很多人的兴趣。

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        早期猜测:系外行星存在吗?

        人类从仰望星空的那一刻起,就开始了“我们在宇宙中是否唯一”的追问。许多历史上的伟人也不断思索着“太阳系之外到底是否有其他行星乃至生命存在”?

        早在16世纪,布鲁诺在《论无限的宇宙和世界》中就提出了对于系外行星的预言。他认为天空中的恒星,应该都像我们的太阳一样,它们的周围也会环绕着行星,而这些行星也可以孕育自己的生命。他的这一思想拓展了那时刚被哥白尼提出不久的“日心说”。然而,“地心说”的思想在当时人们心中根深蒂固,布鲁诺的思想被认为是异端邪说。

        18世纪时,牛顿在他的旷世名作《自然哲学的数学原理》一书中提到了同样的可能性。通过与太阳周围行星类比,牛顿脑海中浮现出的,是其他恒星周围类似太阳系一样行星环绕的壮观场景。系外行星的猜想也被越来越多的人所接受。

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        首次发现:脉冲星周围的异类

        19世纪以来,随着望远镜越做越大和探测手段的不断进步,有很多研究者都声称发现了系外行星,但都无法得到证实。而人类的第一颗系外行星,却被射电天文学家在一类不可思议的天体周围偶然发现了。

        1992年,射电天文学家亚历山大·沃尔兹森和戴尔·弗莱在精确测量脉冲星PSR 1257+12的脉冲信号时,找到了不属于脉冲星的其他信号,进而发现了它周围的两颗系外行星,并被证实。然而脉冲星是高速自转的中子星,中子星是大质量恒星死亡的一类产物,它的密度大到在一个指甲盖大小的体积内,可以集中数吨的重量。脉冲星又因为有强磁场,高速转动并不断向外发出周期性强辐射。这样严酷的环境,周围存在的系外行星肯定与我们的地球相去甚远,自然不会有生命存在。虽然这两颗系外行星创造了人类首次,但显然科学家还是更希望在跟太阳类似的恒星周围找到行星,而不是一个死亡的“大怪物”旁边;发现所用到的精确计时方法也并没有在后续搜寻中广泛应用。这一发现也因此与诺奖失之交臂。

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        困难重重:难以察觉的信号

        脉冲星周围系外行星的发现纯属偶然,探测方法也并不普适。那更可能发现系外行星的方法是怎样的呢?由于行星自身不发光,所以我们很难直接在其他恒星周围找到可能存在的系外行星,这时候牛顿的万有引力定律又可以来帮忙了。行星自身的质量使得行星和恒星围绕着他们共同的质量中心在转动。那么在地球上的望远镜,就有可能看到行星引力对于恒星的影响:行星让恒星在天空中轻轻“摇摆”,换句话说就是在视线方向上,恒星受行星引力作用,时而远离时而靠近我们。这种细微的摇摆反应在光谱上,就会造成恒星光谱不断红移和蓝移的速度变化。我们称这种探测系外行星的方法为视向速度法。

        由于行星与恒星质量相差悬殊,太阳系内质量最大的木星,造成的太阳视向速度额外的变化量只有12.4米/秒,换成地球则只有不到10厘米/秒。而距离我们最近的恒星也在4光年之外。也就是说,我们要在地球探测远在数光年之外恒星米每秒量级的晃动,还要排除各种其他因素的干扰,这个难度可想而知。

        当时国际上的几个小组就是通过这种方法,长期监测天上的一批与太阳类似的恒星,期待发现其中潜在的系外行星,从而夺取这个领域的第一。按照人们基于太阳系的普遍认识,距离恒星较远、质量较大类似木星的系外行星应该会被最先发现。但正所谓万事开头难,人们用这一方法苦苦寻找了近十年却一无所获。

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        一举夺魁:颠覆认知的发现

        在天文同行都一筹莫展的时候,瑞士日内瓦大学马约尔和奎洛兹师徒依旧默默努力着,他们将老光谱仪的探测精度提高了20倍,同时积累了更多观测数据,并大胆地减少限制条件扩大搜索范围。功夫不负有心人,他们在1994年发现恒星飞马座51周围存在一个质量至少有半个木星重的天体,每4天绕转一圈。这一发现令师徒二人困惑不已。要知道,太阳系中距离太阳最近的水星,公转周期也要88天,而这个周期更短的天体却比水星重将近3000倍。这个看不见的天体质量巨大却离它的“太阳”如此之近,完全颠覆了当时天文学界的认知。他们花了半年多的时间排除结果中可能存在的其他错误。而大洋彼岸的美国天文学家也通过独立观测的数据,从侧面证实了他们的发现。1995年11月,师徒二人在《自然》杂志发表文章,正式宣布他们首次在类太阳恒星周围发现了系外行星——飞马座51b。

        对于像飞马座51b这种大质量短周期的系外行星,由于距离恒星很近所以表面温度极高,天文学家也给了它们一个形象的名字——热木星。人们很难想象与太阳系内八大行星迥异的热木星是如何形成的,这一发现对当时的行星形成理论提出了巨大挑战,同时也开启了后续系外行星探测的热潮。

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        飞速发展:系外行星的新时代

        飞马座51b的发现,为人类打开了发现系外行星的钥匙,开启了系外行星研究的新时代。系外行星作为天体物理学领域的年轻分支,在随后的二十多年得到了蓬勃的发展。探测方法不断革新,研究手段有了长足的进步,研究内容也更加细致深入。

        从第一颗,到现在的4000多颗,我们不仅仅知道了系外行星的存在,还知道了系外行星是在恒星周围普遍存在的,这从一到多的过程,对于人类的认识无疑是革命性的。从热木星,到超级地球再到类地行星,我们不仅可以发现大个头的系外行星,还发现了更多与我们地球质量大小类似的行星。更多地球兄弟姐妹的发现无疑也带来了更多的憧憬。从简单的测量行星周期质量半径,到现在可以探测到行星大气上可能存在的水分子和氧分子,我们在一点点向系外生命靠近。

        马约尔和奎洛兹大胆跳出人类的固有思维,在当时困难重重的情况下发现了飞马座51b,开启了系外行星研究的新时代,使得系外行星成了天文学中最活跃的研究领域之一,大大缩短了人类寻找“我们在宇宙中是否唯一”这一问题答案的时间。

        如今,早已退休的马约尔教授,依然继续着系外行星的探索。他当年的学生奎洛兹,也已成为了剑桥大学的教授,领导着多个欧洲的地面和空间系外行星探测计划。诺贝尔奖评审委员会将物理学奖授予他们,不仅仅是表彰他们引领学科发展的第一次发现,同时也是对系外行星探测未来的充分看好和正面激励。未来大型的空间地面望远镜,将进一步深入细致地研究我们近邻的系外行星,期待能够有一天揭开它们上面生命存在的奥秘。

        延伸阅读

        用理论去解释宇宙

        本次诺贝尔物理学奖颁发给了两个领域,除了我们上文介绍的发现系外行星领域外,另外一半奖金授予了美国普林斯顿大学的宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯,以表彰他“在物理宇宙学的理论发现”。

        科学家对于宇宙的研究认识,需要将观测和理论结合起来寻找答案。皮布尔斯作为世界知名的理论宇宙学家,对于我们熟知的宇宙大爆炸模型做出了巨大贡献,并在许多宇宙学领域都做出了开创性的工作。他从上世纪60年代发展起来的理论框架,对于原初元素核合成、暗物质、宇宙中星系等结构形成、宇宙微波背景辐射等诸多问题都给出了理论解释,是当代宇宙学的基础。这一整套系统理论中对于宇宙诸多物理过程的分析预测,为人类认识宇宙形成和演化奠定了基础,也与后来诸多的观测结果相吻合。他的许多文章和著作是宇宙学的经典。

        在宇宙中,我们已经认识和研究的物质只占整个宇宙的5%,而剩下95%的暗物质和暗能量,对于我们人类还是未知的谜团,需要更多像皮布尔斯一样的科学家为我们解开。

  • 获奖科学家的研究在生活中有什么用?

        张田勘

        2019年诺贝尔生理学或医学奖日前揭晓,奖项颁给了美国科学家威廉·凯林、英国科学家彼得·拉特克利夫和美国科学家格雷格·塞门扎。他们获奖的理由是:发现了细胞如何感知氧气和适应氧气供应,也可称为发现了生物氧气感知通路的机理。

        显而易见,“细胞感知氧气和适应氧气供应”是一个基础研究的成果,但相信大众更想知道,这个成果有什么实用价值,能给我们人类带来什么改变?

        利用低氧诱导因子治疗贫血

        三位科学家发现的低氧诱导因子广泛存在于慢性缺氧细胞中,它的水平受到氧气含量的影响,在高氧状态下,低氧诱导因子被修饰,从而降解;在低氧状态下,低氧诱导因子不被修饰,不会降解。

        低氧诱导因子的发现带来了巨大的实用价值,目前在治疗贫血和肿瘤方面已经获得重大进展并进入实用阶段。比如贫血有多种原因和类型,但无论是哪一种,都可以利用低氧诱导因子来增加促红细胞生成素,并产生较多的红细胞来纠正贫血或改善贫血状况。

        有望对抗化疗带来的副作用

        化疗诱导性贫血是癌症治疗的一种严重但又无声的副作用。癌症患者在接受化疗后非常容易出现疲劳的症状,这是贫血的表现形式之一,时间长了,还会使患者出现认知功能障碍、呼吸困难和抑郁。因此一些患者选择停止化疗,延误了癌症的治疗。

        如果未来有基于低氧诱导因子的药物能够防治化疗诱导性贫血,就能让癌症患者更为舒适地接受化疗治疗。

        探索“饿死”癌细胞之法

        疯狂生长的肿瘤就是癌症。失去控制的肿瘤细胞会形成细胞团,细胞团的内部是缺氧的。此时,低氧诱导因子起的却不是好作用。它可以启动应对缺氧的环境,诱导血管内皮细胞生成因子增加,再促进血管生成。生成的毛细血管能进入肿瘤内部,也就给癌细胞提供了养料,使得癌症能得以发展和恶化,甚至迅速夺去患者的生命。

        因此,如果能够阻断低氧诱导因子的功能,不让新生的毛细血管生成和进入肿瘤细胞团,癌细胞就会因为缺少营养而饿死或坏死。从理论上讲,如果以低氧诱导因子为靶点,被它调控的下游所有生长因子都会被抑制,也就是发挥“总开关”的作用。

        可以预想的是,随着科学家对低氧诱导因子的认知进一步深入,除了有助于研发更多抗癌和治疗贫血的药物外,人类还会获得对生命机理更深的认识,并研发出针对眼部、精神类疾病的药物。

  • 给鲸鱼“称重”

        王信强

        鲸鱼是地球上最大的哺乳动物。由于其体积过于庞大,又是在海上四处游动,根本无法在其活着的时候称重,只能估算个大概重量。一旦死去,又由于身体肿胀和腐烂,也无法获得实际体重。因此,当前对鲸鱼的研究通常不包括其体重。鲸鱼的确切体重对人类来说仍是个谜。

        最近出版的英国生态学期刊《生态与进化方法》报道,美国伍兹霍尔海洋研究所和丹麦奥尔胡斯高级研究所科研人员发明了一种测量鲸鱼体重的方法。

        研究人员在阿根廷瓦尔德斯半岛沿海,使用无人机,对南露脊鲸(长须鲸的一种)进行了空中拍摄。无人机在空中对南露脊鲸进行了不同角度的持续跟踪拍摄。科研人员通过自己研发的计算机模拟程序,采用体积质量换算系数,测算鲸鱼的长度、宽度和高度,最后估算出其体重。

        有了这一新技术,科学家可以跟踪监测单个鲸鱼的成长过程、每日能量需要、需要捕食多少猎物等。

  • 能否坚持锻炼

        周舟

        美国一项新研究发现,在“计划性”这个人格特征上的个体差异,会导致人们在实际生活中的行为有所不同。

        心理学中,有5种特质可以涵盖人格描述的所有方面,分别是外向性、宜人性、尽责性、神经质和开放性。其中尽责性,也就是一个人是否勤勉、有序和可靠,一直被认为与健康的行为相关。论文第一作者、美国俄勒冈大学的丽塔·路德维希表示,他们在研究中首次锁定了尽责性这个人格特征的一个方面——计划性。

        俄勒冈大学的研究人员记录了282名志愿者在2018年的20周时间内去健身房的情况,并收集了他们在2017年的健身记录。这些志愿者还提交了各自的健身计划,并填写了针对“计划性”特征的自我评估表。结果发现,那些给自己在“计划性”特征评分较高的志愿者比对自己评分较低的志愿者去健身房的概率要高,在秋季平均会多去5.9次健身房,冬季会多去8.5次。

  • 为啥梦境记不住

        华新

        你有没有做梦之后怎么也想不起来的经历?美日两国研究团队在动物试验中发现,大脑中一种控制食欲的激素可能还参与调节记忆,使梦境容易被遗忘,以防大脑信息过载。

        发表在最新一期美国《科学》杂志上的这项研究显示,52.8%的可分泌“黑色素聚集激素”的小鼠下丘脑细胞会在“快速眼动睡眠”中被激活,黑色素聚集激素是一种参与调控食欲的分子。研究显示,小鼠清醒时,只有35%的下丘脑细胞被激活。

        研究人员利用基因工具激活或关闭小鼠大脑中分泌“黑色素聚集激素”的神经元,发现在快速眼动睡眠期,激活这种神经元会使小鼠记忆变差,反之记忆会得到改善。

        据介绍,在快速眼动睡眠阶段,动物眼球会快速移动,身体肌肉放松,并伴随着做梦,但在醒来时会将多数梦境忘掉。

        本版部分图片/视觉中国