天体物理学与诺贝尔奖

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1983年 1983年 1992年
2002年 2002年 2006年
发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性
高能天体辐射机制
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天体物理学与诺贝尔奖
1 天体物理学概况
1.1 天体物理学的发展 天体物理学是将物理学和天文学融合而成的一门学科，它已经成了天文学和 物理学中不可缺少的一个重要组成部分。天文自古就在人民的生活中占有非常重 要的位置，巴比伦的泥碑，古埃及的金字塔，中国的甲骨文，都记载了人类对浩 瀚苍穹的思索和向往。人类对天体的观测和认识可以追溯到远古时代，但在人类 社会文明的进程中，天文学的研究范畴和天文的概念都在不断进步和发展。为此， 我们首先对天文学做一个概括描述。 天文学是一门古老的基础学科，它的研究对象是整个宇宙。起初，人们主要 是通过观察天体的存在、测量它们的位置来研究它们的结构，探索它们的运动和 演化的规律，从而扩展人类对广阔宇宙空间中物质世界的认识。那时候天文研究 实际上处于一种“描述研究”的状态。到十八世纪老赫歇耳开创恒星天文学，人 们开始用物理学内容和方法来研究天文学现象。从此，天文学中逐渐形成了一门 新的学科——天体物理学。这门新兴学科应用物理学的技术、方法和理论来研究 天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律。自十九世纪中叶，分光学、 光度学和照相术等三种物理方法被广泛应用于天体的观测研究以后，人们对天体 的结构、化学组成、物理状态的研究已经形成了完整的科学体系，天体物理学开 始成为天文学的一个独立的分支学科。
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1.2 天体物理学现状
天体物理学包括实测天体物理学、理论天体物理学、太阳物理 学、太阳系物理学、恒星物理学、恒星天文学、星系天文学、宇宙 学、宇宙化学、天体演化学、射电天文学、空间天文学、高能天体 物理等分支学科。起初人们都是在地球上利用简单的光学望远镜开 展天体物理研究的，但随着科学技术的发展, 天体物理学的研究内 容、方法和手段都在不断扩展。目前，人们已经在使用紫外、红外、 X射线、γ射线望远镜进行观测和研究，并已发展为全波段观测。另 外，人们进行观测的位置已经从地球上发展到太空中，甚至有人设 想将来在月球、火星上开展天体物理观测。可以说在空间技术高度 发展的今天,天文观测研究已由地面观测进入空间时代 。
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2.2.5 星系形成和演化
恒星结构与演化、星系形成和演化,以及宇宙的起源是天体物理学研究的三个 基本方向[8]。目前，恒星的结构演化和宇宙起源的大爆炸模型这两大基本理论 已被越来越多的观测事实所证实。但是，作为构成宇宙基本单元的星系是如何 形成与演化的仍然是一块有待进一步探索的重要领域[9]。目前的星系形成和演 化理论认为，星系和宇宙大尺度结构都是由宇宙早期极其微小的结构发展而来 的[10]。近年来，国际上已建成和在建的重大设备和计划都以该领域为主要科 学目标，其观测波长覆盖了整个电磁波段，如：射电波段上的 VLBA，毫米和 亚毫米波段上的 SCUBA、SMA、ALMA，近红外和红外波段的 SIRTF、 NGST，可见光波段的 HST、Keck、Gemini、VLT、SUBARU以及 SDSS，X 波段上的Chandra、XMM、AstroE2、Plank、MAP，以及 γ 波段上的 CGRO、 GLAST等。在人员方面，国际上超过一半的天文学家置身于该领域的研究， 每年的科研成果占整个天体物理总产出的一半以上。作为星系形成和演化理论 的唯一模板，银河系结构和演化的研究已经进入一个前所未有的高度。以银河 系研究为主要目标之一的国内外重大项目也在陆续推进，如 SDSS / SEGUE （美国），RAVE（澳大利亚），LAMOST（中国），GAIA（欧洲空间局）等。 这些基于海量观测数据进行的科学研究项目必将为认识银河系结构和演化作出 重大的贡献。
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授课教师： 范忠辉 fanzh@ynu.edu.cn 云南大学物理科学技术学院
荣膺“诺贝尔奖”的天文课题
举世闻名的“诺贝尔奖”中没有天文学这一项，但实际上天文学奖已经 包括在物理学奖之中。 在“诺贝尔物理学奖”中，从1936年到2006年的80个年度中，共有12 项是“天文课题”，16人获奖。这些获奖的天文课题，对当代天文学和 物理学的发展，产生了深远的影响。见下表：
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2.2 几个未来可能获得诺贝尔奖的天体物理学课题 尽管在天体物理学的发展进程中人们已经取得了很多可喜成就，但还有许许 多多的奥秘正等着我们去探索。在众多天体物理课题中，暗物质和暗能量、 引力波、黑洞、地外文明、星系形成与演化等课题成了科学界面临的重大挑 战。由于这些问题的理解关乎众多科学的基础，这些问题得到解决之时，很 可能就是天体物理再次获得诺贝尔奖等最高科技奖项之日。下面我们分别对 其中几个进行简要介绍。
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2.2.3 黑洞 黑洞是这样一种天体：由于其极大的引力场作用，就连光子也无法逃脱， 以至我们目前无法观测到它们[5]。不过，我们却可以通过间接的方式感 受到它的存在，比如我们发现黑洞可以使通过周围的光线发生弯曲现象。 黑洞形成跟白矮星和中子星一样，很可能也是由恒星演化而来的。 “黑 洞”是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文热点之一，许多科学 家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。有 科学家研究表明黑洞并不完全是“黑”的，它也可向外辐射能量——霍 金辐射[4，6] 。
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直到1976年天体物理学被诺贝尔奖委员会界定属于物理学奖范畴，天体物 理学家才正式登上了诺贝尔奖领奖台。到2006年10月3日,瑞典皇家科学院宣布 天体物理学家J. Mather和G. Smoot获得诺贝尔物理学奖时，已经是天体物理领 域第8个年度,第11个天体物理项目获得诺贝尔物理学奖[3]。事实上，诺贝尔奖 授予天体物理项目似乎是从开始的“不情愿”逐渐发展到今天的“理所当然” 的。1967年，Hans Bethe因“对核反应理论研究的贡献,特别是他对恒星能源的 发现”获奖，这样的说法尽量将他的贡献拉到传统物理学那边，隐约体现了一 种“不情愿”将诺贝尔奖颁给天体物理项目的思想。之后40年里,竟有8个年度、 11个天体物理项目、15位天体物理学家获得了诺贝尔物理学奖，这在有近百个 分支学科的物理学领域内是空前的。现在看来天体物理学内容获奖似乎已经成 为“理所当然”的了。 除了上述15位天体物理学家获得诺贝尔奖外，其实还有很多天体物理学家 获得了其它国际高级科学奖项如邵逸夫奖和Gruber奖[2]。这些奖项和诺贝尔奖 一起向世界宣示了天体物理学在现代科研中的重要地位和前景。目前世界上越 来越多的人正积极地投入到天体物理的研究中，很多大学都建立天体物理研究 机构。在国内，除了中国科学院建立的几大天文台外，很多大学也已经建立了 天文系或天体物理研究中心，正在为世界天体物理研究的发展做出贡献。
2009年国际天文年网站： http://www.astronomy2009.org/
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获奖人
获奖原因
获奖年份 1936年 1967年 1970年 1974年 1974年 1978年
发现从地球外来的宇宙射线 奥地利物理学家维克 托·伏兰兹·赫斯 核反应理论及建立恒星能源理论 美国物理学家汉斯·奥 尔布雷克特·贝蒂 瑞典物理学家汉内斯· 奥 磁流体力学的基础研究和发现及其在等离子体物理的研究 洛夫· 戈斯塔· 阿尔文 成果 英国射电天文学家马 对射电天文学的开创性贡献特别是创造出综合孔径射电望 丁· 赖尔 远镜 英国射电天文学家安东 射电天文学的成就并对发现和确认脉冲星起了决定性作用 尼·休伊什 共同发现宇宙微波背景辐射 美国射电天文学家阿 诺· 阿伦· 彭齐亚斯和罗伯 特· 伍德罗· 威尔逊 对恒星结构及其演化理论的贡献 美国天文学家苏布拉马 尼亚姆· 钱德拉塞卡 美国核物理学家威廉· 福 对宇宙中形成化学元素的核反应理论的实验成果 勒 美国天文学家约瑟夫· 胡 共同发现脉冲双星 顿· 泰勒和拉塞尔· 艾伦· 赫 尔斯 美国的小雷蒙德· 戴维斯 在宇宙中的微中子研究中做出卓越贡献 和日本的小柴昌俊 美国的里卡多· 贾科尼 发现了宇宙X射线源 美国天文学家约翰· 马瑟 和乔治· 斯穆特
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2.2.1 暗物质和暗能量 暗物质和暗能量是当代宇宙学的两大未解之谜，可以说是它们决定着宇宙学 的最终命运。暗物质和暗能量是一种似乎充满整个宇宙而又看不见的成分， 它们占了宇宙整个物质构成的绝大部分。根据研究估计：宇宙中暗物质和暗 能量分别占75%和23%左右，可见物质只占很小的比重[3]。对暗能量，人们 虽知道它的存在，但不知道它是什么。暗能量更是奇怪，它可以使物质的质 量全部消失，完全转化为能量。据估计，暗能量是已知物质能量的14倍以上。 为了探索暗物质和暗能量的秘密，世界各国的科学家们正在这个领域努力工 作着，而且已经从理论和实验方面取得了很多成果，我们有理由相信人类终 将有一天会揭开暗物质和暗能量的神秘面纱。
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2.2.4 地外文明 地外文明是指地球以外的其他天体上可能存在的高级理智生物的文明[7]。根据地 球人类的伟大文明和创造我们可以想象地外文明会是何等美妙和精彩，因此探索 地外文明、寻找地外高级生物自然成为了本世纪人类最向往的研究课题之一。探 索地外文明首先要根据地球上生命存在的状况，弄清生命存在的条件和环境。生 命是天体演化的必然结果，但是生命存在的条件又是非常苛刻的，它要求天体要 有坚硬的外壳、有适宜的大气和适合的温度、有一定数量的水等等。同时，行星 围绕的天体必须是一颗稳定的恒星。就太阳系来说，符合上述条件的只有金星、 地球和火星，但到现在还没有发现金星和火星上有生命。太阳系中其他行星上就 更不适合生命存在了。寻找太阳系以外的类似太阳系中的行星系，这是探索地外 文明的又一个方向。科学家们早已开始了潜心的观测和研究，可到目前还没有发 现一个被确认的行星系。目前，探索地外文明的方法主要有3大类：（1）接收并 分析来自太空的各种可能的电波。这方面的工作从1960年就开始了。（2）人类 主动向外太空发出表明人类在太阳系内存在的信号。1974年11月16日，美国利 用设在波多黎各的阿雷西博305米直径的射电望远镜，发出人类第一组信号，对 准武仙座球状星团，发射3分钟。（3）发射探测器去登门拜访外星人。美国发射 的“先驱者”10号和11号，“旅行者”1号和2号，都在完成对太阳系内的探测 任务后，带着许多人类的信息，作为人类使者，漫游在恒星星际空间。如果巧遇 人类的知音，他们将从探测器中了解人类的活动，确定进一步交往的可能。由此 可见，探索地外文明是一项综合性的科学使命，过于乐观是不现实的，不过过于 悲观也是没有根据的。
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2 天体物理学与诺贝尔奖
2.1 天体物理学与诺贝尔奖
从历史上看,物理学的发展与天文学(特别是天体物理学)的发展是密 不可分的。比如万有引力作为物理学的一条基本定律，就直接发源于天 文学的研究。 诺贝尔奖创立于1901年，旨在奖励那些在人类文明的进程中有重大 成果或发现并对人类社会的进步产生重大影响和贡献的人。虽然有不少 天体物理学家在研究中取得了重大研究成果和发现并为人类社会的发展 和进步做出了重大贡献，但是由于当时诺贝尔奖中并没有设立天文学奖， 以及诺贝尔奖委员会界定物理学奖的范围等原因，在1976年以前始终没 有一位天体物理学家捧得诺贝尔奖的奖章。即使如此，从1913年开始天 体物理学家们就一直被提名为诺贝尔奖者，很多天体物理学家如George E. Hale、E.P. Hubble等都曾被多次提名为诺贝尔奖获奖人。
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2.2.2 引力波 引力波是以波动形式传播的引力场。1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言， 在有的坐标参考系中（不是所有的坐标参考系），加速的质量可能有引力波 存在[4]。引力波的存在与否直接影响到广义相对论的正确与否。但探测引力 波是极不容易的。20世纪70年代初期，韦伯曾宣称他的探测器发现了引力波， 但是没有得到其他人的证实，所以这一结果没有得到公认。后来，一些天文 学家们宣称，他们间接地发现了引力波。首先引起大家注意的是双星系统。 但由于两颗相互绕转而快速运动的恒星产生的波动引力场可以带走的能量极 小，这种效应非常难以被探测到。1978年末，一个射电天文学家小组宣布他 们探测到了双脉冲星的能量变化，并且与由引力波所预期的能量变化值是相 等的。这是一个证明引力波存在的间接证据。1978年底，泰勒、麦卡洛奇和 福勒宣布他们发现引力波存在的第二个间接证据。 但是，直到现在引力波仍 然没有被直接探测到。不过由于间接的探测以及坚实的理论基础都表明它们 可能被探测到，世界上正有越来越多的科学投入到引力波的探测活动中。