寻找茫茫宇宙中的新家园

白石

“我是谁”，“我从哪里来”，“我要到哪里去”，这些被称为“人生三大终极疑问”的问题，是关乎人类命运的重大问题，同时也是科学家要解决的问题。从某种角度上来看，三大问题与天文学的研究密切相关，“我是谁”与人类在宇宙中的地位相关，“我从哪里来”与宇宙和太阳系的起源相关，“我要到哪里去”与人类未来的星际旅行相关。

我们所生活的宇宙从哪里来？宇宙中还有没有其他类似地球的星球？由于在解答这2个问题方面作出了突出的贡献，3位天文学家获得了2019年诺贝尔物理学奖，他们分别是美国天文学家詹姆斯·皮布尔斯和瑞士的2名天文学家米歇尔·梅厄和迪迪埃·奎洛兹。他们的研究让人类移民外星的梦想有了科学依据，或许在未来我们可以去往另一个“地球”，寻找适合人类生存的新家园。

宇宙起源的证据

这次皮布尔斯能获诺贝尔奖，还得从54年前说起。1965年，《天体物理杂志》发表了普林斯顿大学的迪克、皮布尔斯和罗尔以及威尔金森的论文《宇宙黑体辐射》，这篇论文详细讨论了宇宙微波背景辐射的温度。在这篇论文发表后的第54年，其余3位作者都已经去世，只有依然健在的皮布尔斯幸运地获得了诺贝尔奖。

宇宙微波背景辐射的温度，在当年看来似乎是并不起眼的研究，那为何其后会获得诺贝尔评奖委员会的青睐呢？这是因为，宇宙背景辐射本身很重要，它是宇宙起源的重要证据。利用传统的光学望远镜，恒星和星系之间的空间（就像图画的背景）是一片漆黑。然而，利用灵敏的辐射望远镜则可发现，太空中存在微弱的背景辐射，且在各个方向上几乎一模一样，它与任何恒星、星系或其他对象都毫无关系。宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸遗留下来的热辐射，是一种充满整个宇宙的微波电磁辐射。

以前，人们并不知道宇宙是怎样起源的。20世纪20年代，天文学家根据推理和计算，提出宇宙起源于一个奇点的大爆炸。也就是说，大爆炸之前是一片虚空，在这片虚空中存在一个肉眼都看不见的奇点，这个奇点有无限小的体积和无限大的密度。突然有一天，它炸开了，逐渐形成了现在的宇宙。宇宙大爆炸理论听起来有些玄幻，最初并没有获得人们的广泛认可，但是越来越多的证据证明这个假说很可能是正确的，于是大爆炸理论成为了宇宙起源的主流假说。在那些证据中，宇宙微波背景辐射特别重要，因为它是大爆炸的印记。

在宇宙大爆炸之后到恒星形成之前这个时期，宇宙的范围还较小，其中分布着温度极高、密度极大的气体，宇宙在随着这些气体向外扩散而逐渐膨胀的同时，温度开始降低。这温度究竟有多低呢？皮布尔斯和他的同事利用宇宙微波背景辐射的相关理论进行计算，发现宇宙的平均温度只有-270℃，也就是只比绝对零度高了3℃。

宇宙微波背景辐射的相关研究非常重要，因为它们奠定了大爆炸宇宙学的科学地位，使得其他与大爆炸宇宙学竞争的理论彻底退出了历史舞台。在皮布尔斯获奖之前，已经有2届诺贝尔物理学奖颁给宇宙微波背景辐射的相关研究。1964年，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊探测到宇宙微波背景辐射的信号，他们因此获得1978年诺贝尔物理学奖。另一次是2006年，美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特因发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而获奖。

皮布爾斯对宇宙学的贡献并非在1965年就止步了。他后来对大爆炸核合成、暗物质、暗能量等领域都作出了重要的理论贡献，因此被誉为世界上领先的理论宇宙学家之一。他为宇宙学中几乎所有的现代研究奠定了基础——包括理论和观测，将一个高度猜测性的领域变成了一门精密的科学。

寻找太阳系以外的行星

太阳周围有八大行星，还有很多个小行星。那么，像太阳一样的其他恒星周围是否也有行星呢？如果我们按照常理来推测，那是肯定的。许多科学先驱都曾预言，满天繁星中，一定有许多恒星也拥有绕它们旋转的行星。但是，科学结论不能靠预言来推定，更不能靠常理来确认，它需要用科学的证据来确认。如果说皮布尔斯研究的是宇宙起源这样宏大的问题，那么梅厄和奎洛兹研究的则是一些相对具体的问题。他们的开创性贡献是利用间接观测手段发现了其他恒星的周围也有行星。

或许有人会问，我们望远镜那么先进，难道连太阳系外的一颗行星也看不到吗？真的不行！我们身处太阳系中，所以我们能看到太阳系内的水星、金星、火星等其他行星。但是，相对于其他的恒星来说，系外行星反射的光实在太弱了，加之它们离我们很远，而离恒星相对很近，这会让它们完全隐藏在恒星的光芒之下。打个比方来说，如果我们驾驶的汽车开了远光灯，那么附近的东西都能看得见，这个车灯就好比是太阳;如果是别人驾驶的汽车开了远光灯照过来，我们会感觉很晃眼，难以看清那个车灯附近的物体，那个车灯就好比是其他恒星。

既然不能直接观测，那就采取间接的方法吧，比如梅厄和奎洛兹就利用了恒星光谱来进行分析。如果恒星周围有一颗行星，这颗行星就会使恒星的光谱产生一定的改变。梅厄和奎洛兹通过检测是否有这种改变来确认恒星周围是否有行星，甚至由此探测行星的大小、距离等相关信息。

行星为什么会对恒星的光谱产生影响呢？这是因为万有引力在起作用，一颗恒星对行星产生引力作用的同时，行星也会对其产生一个同样大的引力，这会导致恒星的位置发生微弱的变化。相对我们地球上的观测者来说，恒星位置的变化会体现在光谱上，简单来说就是体现在光的颜色（频率）上。如果一颗恒星稍稍远离我们，它的光会发生红移，即光的频率降低，整个光谱的颜色向红色一端移动。反之，如果恒星向我们靠近的话，则发生蓝移。

虽然恒星周围有行星的这件事，是大家都非常容易理解的。但是，直到1995年，梅厄和奎洛兹才首次在太阳系外发现了一颗行星。这颗行星围绕着“飞马座51”恒星公转，距离地球约50光年，被命名为“飞马座51b”。它是一颗与木星相仿的气态行星，质量约是木星的一半，体积约是木星的2倍，表面温度约1000℃。

“飞马座51b”的发现是天文学史上的一座里程碑，它是人类发现的第一颗围绕恒星公转的系外行星，其重要性堪比历史上的哥伦布发现新大陆。此后，其他天文学家以梅厄和奎洛兹开创的方法为起点，发展出更多寻找系外行星的方法。1995年以来，天文学家已找到4100多颗系外行星，它们以各异的形态震惊着世人。

未来的新家园

皮布尔斯、梅厄和奎洛兹的发现都属于理论性的，看似和实际应用没有任何关系。其实，他们的发现都涉及到一个极为重要的现实问题，即我们可以往哪里去的问题。随着地球上人口数量不断增多，地球也越来越难以承载如此多人的生存需求。未来，人类或许会飞向遥远的星辰，寻找新的家园。

根据皮布尔斯的宇宙模型，其他科学家从宇宙微波背景中推测出了宇宙的成分：构成行星和人类的普通物质仅占宇宙物质总量的5%，剩下的便是26%的暗物质和69%的暗能量。皮布尔斯的研究成果，为未来的星际航行提供了重要的理论指导，人们可以据此制造出更先进的飞船，快速抵达其他星球。

“宇宙中还有其他的世界吗？这是一个非常古老的问题，哲学家们对此争论不休。”梅厄在接受记者采访时说，“我们不断寻找离我们最近的行星，它们可能与地球相似。我和同事们开启了寻找系外行星的研究，证明了研究它们是可能的。”

梅厄和奎洛兹的发现，掀起了探测系外行星的热潮，让大家意识到太阳系之外还有不少类似于地球的星球存在。随着天文学家对系外行星的不断探索，人类有望在将来绘制出一张详尽的星空图，我们可以从中找到“星际高速航线”的休息区和目的地，这对未来的星际旅游和星际移民都会有极大的帮助。