2022 年 8 月 27 日，" 科普中國 - 我是科學家 " 第 39 期現場，中科院粒子天體物理重點實驗室主任、中科院高能物理研究所研究員、" 慧眼 " 天文衛星首席科學家張雙南帶來演講《4 年 3 次‘蹭’到物理學諾獎，天文學做對了啥？》。
張雙南演講視頻：
以下為張雙南演講實錄（下）：
前文介紹的彭羅斯是 2020 年諾貝爾物理學獎獲獎者之一，還有兩位學者因為發現銀河系中心的超大質量緻密物體與彭羅斯分享這一榮譽。
萊茵哈特 · 根策爾（Reinhard Genzel），安德烈娅 · 蓋茲（Andrea Ghez）因發現銀河系中心的超大質量緻密物體獲得 2020 年諾貝爾物理學獎｜www.nobelprize.org
萊茵哈特 · 根策爾（Reinhard Genzel），安德烈娅 · 蓋茲（Andrea Ghez）觀測到，銀河系中的恒星都是繞着五角星在做運動（見動圖 / 視頻）。就像太陽系内的行星都是繞着太陽在做運動一樣。因此，可以用計算太陽質量的辦法，計算出五角星所在處那個天體的質量有多大。結果發現，那個天體的質量是太陽質量的 400 萬倍。基于彭羅斯的研究，科學界認為，隻要找到足夠緻密的物體，基本可以斷定該物體是黑洞。當然，諾獎委員會也沒有确認這是黑洞。
銀河系的恒星繞着五角星運動 | 見水印
萊茵哈特 · 根策爾和安德烈娅 · 蓋茲團隊是使用四個 VLT（Very Large Telescope）進行觀測的。VLT 是口徑有 8.2 米的可見光望遠鏡，可以說是非常大了。我國具有類似功能的最大的可見光望遠鏡口徑隻有 2.4 米，比 VLT 小了幾倍。
VLT | Wikimedia Commons，G.H ü depohl/ESO / CC BY 4.0 （https://creativecommons.org/licenses/by/4.0）
望遠鏡的造價與其口徑的立方成正比，不僅如此，口徑變大也意味着技術的複雜性高出很多。萊茵哈特 · 根策爾和安德烈娅 · 蓋茲用口徑 8.2 米的 VLT 觀測了幾十年，終于測出了黑洞的質量。
銀河系中心塵埃比較多，因此在普遍的照片上，銀河系中心是黑的，必須要用紅外望遠鏡才可以看到銀河系中心天體運動的情況。出于一些技術限制，我國現在還沒有紅外望遠鏡。
Keck 望遠鏡拍攝的銀河中心區域的影片 | 見視頻水印
從 Keck 望遠鏡拍攝的銀河中心區域的影片，再用各種先進的技術處理後，就可以把銀河系最中心的位置呈現給大家看。就是視頻中的小框，這裡有一個恒星（S2）離黑洞（視頻中間的白點，實際是黑的）的位置最近。這個恒星（S2）的運動軌迹，在靠近黑洞時就跑特别快。一旦這一段軌迹測出來後，黑洞質量的計算就非常準确了。
接下來我想談一談，是否真的有其他的世界和文明？談到這個問題，首先要回答外星人是否存在這個問題。這是一個科學問題，可以用德雷克方程理解，其中涉及了很多參數和假設，比如，外星人應該存在于某個恒星周圍的某一顆行星上，這個行星又得有類似地球的環境。此外，外星人還需要有智慧，還可以和我們進行通訊等等。這些問題短時間内我們無法回答。我們知道已知銀河系中恒星的數量，剩下的都需要未來要通過科學研究逐步計算出來。目前猜的結果是外星人的數量大于 1，究竟大多少還不太清楚。至少，我們在宇宙中不是孤獨的。
德雷克方程｜Flickr，Kevin Gill / CC BY 2.0（https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/）
我們有信心去尋找外星人了。第一步是尋找太陽系外的行星。這與 2019 年諾貝爾物理學獎獲獎者的工作有很大的關系。首先是 James Peebles，物理學諾貝爾獎頒給他是為了獎勵他對宇宙微波輻射大爆炸遺迹的理論預言以及後來的一系列相關工作。事實上，學界稱作宇宙微波背景輻射的宇宙大爆炸留下的遺迹，在 1965 年就被發現了。發現宇宙微波背景輻射的兩位射電工程師也于 1978 年獲得諾貝爾物理學獎。James Peebles 也寫了一篇理論論文解釋這個發現，但是卻沒有獲得那一年的諾獎。因為他是做理論研究的，當時該領域理論研究者很多，很難選擇一位授予諾獎。到了 2019 年， James Peebles 這位老先生最終脫穎而出獲得了諾貝爾物理學獎。
2019 年諾貝爾物理學獎三位得獎者｜www.nobelprize.org
2019 年諾貝爾物理學獎的得獎人，Michel Mayor 和 Didier Queloz，是一對師生。他們發現了第一顆圍繞類似太陽的恒星運轉的系外行星，并由此開創了一個新的天文學研究領域，對系外行星的發現與研究。
他們發現了繞一顆太陽系恒星。
Michel Mayor 和 Didier Queloz 通過多普勒光譜儀找到了系外行星。多普勒效應就像是我們聽到救護車的警報聲，迎面向我們而來時，聲音變尖，駛過我們之後，變得沒有那麼刺耳了。
同樣的原理，當一個行星（如地球）繞着一顆恒星（如太陽）運動時，我們會看到因為恒星受行星的影響存在相對運動，它的譜線就會周期性地變藍和變紅。如果測量出這樣的周期性變化就等于證明一個恒星周圍存在行星。
利用多普勒效應尋找太陽系外行星是一個非常傳奇的研究。起初，學界對這兩位學者做的這項研究不屑一顧，當時普遍的看法是，理論上說，他們觀測的恒星周圍根本不可能有行星。Michel Mayor 和 Didier Queloz 申請不到充足的經費，研究過程十分艱辛。但文章一經發表，很快就得到了學術界的肯定，諾貝爾物理學獎也跟着就來了。還有一種測量辦法是，測量行星對恒星的遮擋，這種辦法也可以發現太陽系外的行星。
經過多年的努力，目前已經發現了超過 5 千個（太陽系外的）行星，其中綠色帶裡的是宜居帶，宜居帶中的行星就是宜居行星，這是由開普勒衛星發現的。宜居意味着行星離恒星的距離不近不遠，如果上面存在生命，既不至于被凍暈，也不至于被燒焦。
開普勒衛星發現的宜居帶｜NASA，Ames Research Center，Wendy Stenzel
演講最開始，我埋下了一個問題，天文學是否蹭到了 2021 年的物理學諾貝爾獎？
2021 年物理學諾貝爾獎得主｜www.nobelprize.org
2021 年，有三位科學家獲得了物理學諾貝爾獎，Syukuro Manabe 和 Klaus Hasselmann 是氣象學家，Giorgio Parisi 是理論物理學家。Parisi 發現了從原子到行星尺度的物理系統中無序和漲落的相互關聯。他的貢獻中包含 " 行星 " 二字，天文學好像又蹭了諾貝爾物理學獎，蹭了多少不好說。如果把這一次也算上，那天文學就是 5 年 4 次蹭到諾獎了。
為什麼天文學的研究在近幾年頻頻受到諾獎的青睐？我想這表明，諾獎委員會越來越重視公衆對科學成果的關注以及科學成果對人類的影響。人們對黑洞、引力波、外星人感興趣，所以這些研究就被授予了諾獎。這既是科學對人類的貢獻，也是公衆對科學的關注。
最後，回應我标題中提出的問題 " 天文學做對了啥？" 我認為主要包括以下幾方面——
天文學為科學發展做出了貢獻，建立了現代科學，不斷提出新的大問題，并拓展了人類對自然和宇宙的認識，豐富了人類文明；
天文學提升了青少年對科學的興趣以及科學素養，天文教育是素質教育的重要組成，不僅如此，發達國家的中小學天文教育非常普及，主要城市都有高水平的天文館，到了大學，天文學是很普遍的公共課，天文學更是一流大學的标配；
天文學也擴大了公衆參與科學，加強了公衆對科學的支持，天文愛好者協會遍地開花，仰望星空成為一種時尚；天文學家中做科普也很普遍。
天體離我們那麼遠，黑洞離我們那麼遠，引力波的探測困難重重，仰望星空到底有什麼用？從亞裡士多德開始，經過托勒密、哥白尼、開普勒、伽利略到牛頓，無數的學者一直在思索，為什麼這些行星在天上掉不下來，為什麼天體之間存在運動。到牛頓時代，現代科學産生，這些質詢到達了階段性的高峰。刨根問底地仰望星空給我們帶來了現代科學。
著名數學家希爾伯特說過，隻要一門科學分支能提出大量的問題，它就充滿生命力，而問題缺乏則預示着該學科獨立發展的衰亡或中止。前不久上海交通大學和《科學》雜志一同發布了 125 個科學問題，我欣喜地發現天文學的問題最多，說明即使古老，天文學仍然是個生機勃勃的學科。
按學科分類的 125 個科學問題｜數據來源：《科學》
演講嘉賓張雙南：《4 年 3 次‘蹭’到物理學諾獎，天文學做對了啥？》｜拍攝：Vphoto
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如果大家想了解更多引力波、黑洞的内容，歡迎來看張雙南老師的《極簡天文課》。
張雙南供圖
如果大家還對科學與美學感興趣，可以期待一下張老師即将出版的一本書《科學方法與美學》。
策劃 / 監制：吳歐
作者：張雙南
