原创 张双南 我是科学家iScientist 收录于合集 #我是科学家 · 演讲合集 179个
2022年8月27日，“科普中国-我是科学家”第39期现场，中科院粒子天体物理重点实验室主任、中科院高能物理研究所研究员、“慧眼”天文卫星首席科学家张双南带来演讲《4年3次‘蹭’到物理学诺奖，天文学做对了啥？》。
张双南演讲视频：
以下为张双南演讲实录（下）：
前文介绍的彭罗斯是2020年诺贝尔物理学奖获奖者之一，还有两位学者因为发现银河系中心的超大质量致密物体与彭罗斯分享这一荣誉。
莱茵哈特·根策尔（Reinhard Genzel），安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）因发现银河系中心的超大质量致密物体获得2020年诺贝尔物理学奖｜www.nobelprize.org
莱茵哈特·根策尔（Reinhard Genzel），安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）观测到，银河系中的恒星都是绕着五角星在做运动（见动图/视频）。就像太阳系内的行星都是绕着太阳在做运动一样。因此，可以用计算太阳质量的办法，计算出五角星所在处那个天体的质量有多大。结果发现，那个天体的质量是太阳质量的400万倍。基于彭罗斯的研究，科学界认为，只要找到足够致密的物体，基本可以断定该物体是黑洞。当然，诺奖委员会也没有确认这是黑洞。
银河系的恒星绕着五角星运动 | 见水印
莱茵哈特·根策尔和安德烈娅·盖兹团队是使用四个VLT（Very Large Telescope）进行观测的。VLT是口径有8.2米的可见光望远镜，可以说是非常大了。我国具有类似功能的最大的可见光望远镜口径只有2.4米，比VLT小了几倍。
VLT | Wikimedia Commons，G.Hüdepohl/ESO / CC BY 4.0 （https://creativecommons.org/licenses/by/4.0）
望远镜的造价与其口径的立方成正比，不仅如此，口径变大也意味着技术的复杂性高出很多。莱茵哈特·根策尔和安德烈娅·盖兹用口径8.2米的VLT观测了几十年，终于测出了黑洞的质量。
银河系中心尘埃比较多，因此在普遍的照片上，银河系中心是黑的，必须要用红外望远镜才可以看到银河系中心天体运动的情况。出于一些技术限制，我国现在还没有红外望远镜。
Keck望远镜拍摄的银河中心区域的影片 | 见视频水印
从Keck望远镜拍摄的银河中心区域的影片，再用各种先进的技术处理后，就可以把银河系最中心的位置呈现给大家看。就是视频中的小框，这里有一个恒星（S2）离黑洞（视频中间的白点，实际是黑的）的位置最近。这个恒星（S2）的运动轨迹，在靠近黑洞时就跑特别快。一旦这一段轨迹测出来后，黑洞质量的计算就非常准确了。
接下来我想谈一谈，是否真的有其他的世界和文明？谈到这个问题，首先要回答。这是一个科学问题，可以用德雷克方程理解，其中涉及了很多参数和假设，比如，外星人应该存在于某个恒星周围的某一颗行星上，这个行星又得有类似地球的环境。此外，外星人还需要有智慧，还可以和我们进行通讯等等。这些问题短时间内我们无法回答。我们知道已知银河系中恒星的数量，剩下的都需要未来要通过科学研究逐步计算出来。目前猜的结果是外星人的数量大于1，究竟大多少还不太清楚。至少，我们在宇宙中不是孤独的。
德雷克方程｜Flickr，Kevin Gill / CC BY 2.0（https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/）
我们有信心去寻找外星人了。第一步是寻找太阳系外的行星。这与2019年诺贝尔物理学奖获奖者的工作有很大的关系。首先是James Peebles，物理学诺贝尔奖颁给他是为了奖励他对宇宙微波辐射大爆炸遗迹的理论预言以及后来的一系列相关工作。事实上，学界称作宇宙微波背景辐射的宇宙大爆炸留下的遗迹，在1965年就被发现了。发现宇宙微波背景辐射的两位射电工程师也于1978年获得诺贝尔物理学奖。James Peebles也写了一篇理论论文解释这个发现，但是却没有获得那一年的诺奖。因为他是做理论研究的，当时该领域理论研究者很多，很难选择一位授予诺奖。到了2019年， James Peebles这位老先生最终脱颖而出获得了诺贝尔物理学奖。
2019年诺贝尔物理学奖三位得奖者｜www.nobelprize.org
2019年诺贝尔物理学奖的得奖人，Michel Mayor和Didier Queloz，是一对师生。他们发现了第一颗围绕类似太阳的恒星运转的系外行星，并由此开创了一个新的天文学研究领域，对系外行星的发现与研究。
他们发现了绕一颗太阳系恒星。
Michel Mayor和Didier Queloz通过多普勒光谱仪找到了系外行星。多普勒效应就像是我们听到救护车的警报声，迎面向我们而来时，声音变尖，驶过我们之后，变得没有那么刺耳了。
同样的原理，当一个行星（如地球）绕着一颗恒星（如太阳）运动时，我们会看到因为恒星受行星的影响存在相对运动，它的谱线就会周期性地变蓝和变红。如果测量出这样的周期性变化就等于证明一个恒星周围存在行星。
利用多普勒效应寻找太阳系外行星是一个非常传奇的研究。起初，学界对这两位学者做的这项研究不屑一顾，当时普遍的看法是，理论上说，他们观测的恒星周围根本不可能有行星。Michel Mayor和Didier Queloz申请不到充足的经费，研究过程十分艰辛。但文章一经发表，很快就得到了学术界的肯定，诺贝尔物理学奖也跟着就来了。还有一种测量办法是，测量行星对恒星的遮挡，这种办法也可以发现太阳系外的行星。
经过多年的努力，目前已经发现了超过5千个（太阳系外的）行星，其中绿色带里的是宜居带，宜居带中的行星就是宜居行星，这是由开普勒卫星发现的。宜居意味着行星离恒星的距离不近不远，如果上面存在生命，既不至于被冻晕，也不至于被烧焦。
开普勒卫星发现的宜居带｜NASA，Ames Research Center，Wendy Stenzel
演讲最开始，我埋下了一个问题，天文学是否蹭到了2021年的物理学诺贝尔奖？
2021年物理学诺贝尔奖得主｜www.nobelprize.org
2021年，有三位科学家获得了物理学诺贝尔奖，Syukuro Manabe 和 Klaus Hasselmann是气象学家，Giorgio Parisi是理论物理学家。Parisi发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落的相互关联。。如果把这一次也算上，那天文学就是5年4次蹭到诺奖了。
为什么天文学的研究在近几年频频受到诺奖的青睐？我想这表明，诺奖委员会越来越重视公众对科学成果的关注以及科学成果对人类的影响。人们对黑洞、引力波、外星人感兴趣，所以这些研究就被授予了诺奖。这既是科学对人类的贡献，也是公众对科学的关注。
最后，回应我标题中提出的问题“天文学做对了啥？”我认为主要包括以下几方面——
天文学为科学发展做出了贡献，建立了现代科学，不断提出新的大问题，并拓展了人类对自然和宇宙的认识，丰富了人类文明；
天文学提升了青少年对科学的兴趣以及科学素养，天文教育是素质教育的重要组成，不仅如此，发达国家的中小学天文教育非常普及，主要城市都有高水平的天文馆，到了大学，天文学是很普遍的公共课，天文学更是一流大学的标配；
天文学也扩大了公众参与科学，加强了公众对科学的支持，天文爱好者协会遍地开花，仰望星空成为一种时尚；天文学家中做科普也很普遍。
天体离我们那么远，黑洞离我们那么远，引力波的探测困难重重，仰望星空到底有什么用？从亚里士多德开始，经过托勒密、哥白尼、开普勒、伽利略到牛顿，无数的学者一直在思索，为什么这些行星在天上掉不下来，为什么天体之间存在运动。到牛顿时代，现代科学产生，这些质询到达了阶段性的高峰。刨根问底地仰望星空给我们带来了现代科学。
著名数学家希尔伯特说过，只要一门科学分支能提出大量的问题，它就充满生命力，而问题缺乏则预示着该学科独立发展的衰亡或中止。前不久上海交通大学和《科学》杂志一同发布了125个科学问题，我欣喜地发现天文学的问题最多，说明即使古老，天文学仍然是个生机勃勃的学科。
按学科分类的125个科学问题｜数据来源：《科学》
演讲嘉宾张双南：《4年3次‘蹭’到物理学诺奖，天文学做对了啥？》｜拍摄：Vphoto
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如果大家想了解更多引力波、黑洞的内容，欢迎来看张双南老师的《极简天文课》。
张双南供图
如果大家还对科学与美学感兴趣，可以期待一下张老师即将出版的一本书《科学方法与美学》。
张双南供图
策划/监制：吴欧
作者：张双南
编辑：史唯欢 杨喜九
校对/排版：尹宁流
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原标题：《你的兴趣，就是天文学家们斩获诺贝尔奖的最强助攻 | 张双南》
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