撰文 | 王善欽

北京時(shí)間2019年10月8日晚間，2019年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布。今年的物理諾獎(jiǎng)被分為兩部分：著名宇宙學(xué)家吉姆·皮伯斯（James Peebles，1935-）得到其中一半；著名“系外行星”專(zhuān)家米歇爾·麥耶（Michel Mayor，1942-）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz，1966-）分享另外一半。

2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主 | 諾獎(jiǎng)官網(wǎng)

這個(gè)消息出來(lái)后，很多天文圈子里的人覺(jué)得有些驚訝，因?yàn)橛钪鎸W(xué)和系外行星是兩個(gè)很不相同的領(lǐng)域。不過(guò)，我們可以這么想：宇宙學(xué)告訴我們從哪里來(lái)，系外行星科學(xué)告訴我們可以到哪里去：以后地球不適應(yīng)生存了，就可以考慮搬到“太陽(yáng)系外的行星”——“系外行星”——上去。

麥耶與奎洛茲獲獎(jiǎng)的原因是：他們發(fā)現(xiàn)天上的一顆星星在擺動(dòng)，然后根據(jù)擺動(dòng)的速度大小確定出這顆星星周?chē)幸活w類(lèi)似于木星的行星在繞著這顆星轉(zhuǎn)動(dòng)——就像我們的地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

讓麥耶與奎洛茲獲得諾貝爾獎(jiǎng)的那顆星星，名為“飛馬座51”（51 Pegasi），在天空中位于仙女座（Andromeda）下方的飛馬座（Pegasus）里。它距離地球51光年，意味著以每秒30萬(wàn)千米的速度跑，需要跑51年才可以到達(dá)這顆星。

“飛馬座51”是5等星。人眼能夠看到的最暗星是6等星，5等星的亮度是6等星的2.5倍。所以你只要在一個(gè)晴朗的秋季夜晚，到一個(gè)沒(méi)有燈光污染的地方，不借助望遠(yuǎn)鏡就可以看到飛馬座與仙女座的4顆明亮星星構(gòu)成的一個(gè)四邊形，四邊形右邊那顆小星星就是那顆讓人拿到諾貝爾獎(jiǎng)的星星——飛馬座51，它也可以用肉眼看到。這并不是我在想當(dāng)然：中國(guó)古人稱(chēng)飛馬座51為“室宿增一”，他們那時(shí)候可沒(méi)有望遠(yuǎn)鏡。

想想看，你在適當(dāng)?shù)臈l件下抬頭就可以用肉眼看到的這顆星星，居然也有一個(gè)類(lèi)似于木星的行星繞著它轉(zhuǎn)，這是不是很神奇？它居然可以讓人拿到諾貝爾獎(jiǎng)，是不是很激動(dòng)？

在感到神奇與激動(dòng)之后，你也許也想知道，為什么麥耶與奎洛茲看星星看出了個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)？他們給出那個(gè)結(jié)果的原理是什么？他們發(fā)現(xiàn)的這顆行星是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星嗎？還有多少與這個(gè)話(huà)題有關(guān)的秘密？

人類(lèi)早已從哲學(xué)或者宗教角度猜測(cè)宇宙中有大量類(lèi)似于地球與太陽(yáng)的系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)日心說(shuō)尚未正式建立，地球被視為中心，太陽(yáng)被視為繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)的一顆火球。宗教徒與哲學(xué)家猜測(cè)宇宙中有很多“世界”，每個(gè)世界都有太陽(yáng)繞著它們轉(zhuǎn)。

在哥白尼（Nikolaj Kopernik，1473-1543）系統(tǒng)建立日心說(shuō)之后，第一個(gè)從科學(xué)角度猜測(cè)有“太陽(yáng)系外的行星”的學(xué)者是布魯諾（Giordano Bruno，1548-1600）。他于1584年提出：天上的那些基本不動(dòng)的星星——“恒星”——都是類(lèi)似于太陽(yáng)的天體，它們周?chē)灿蓄?lèi)似于地球的行星圍繞它們轉(zhuǎn)動(dòng)，這些行星自然就是太陽(yáng)系外的行星，簡(jiǎn)稱(chēng)“系外行星”。

圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星，反射恒星光，我們可以看到太陽(yáng)系內(nèi)的行星，就是因?yàn)樗鼈兎瓷淞颂?yáng)光。如果一顆遙遠(yuǎn)的恒星周?chē)行行牵瓷浜阈堑墓?，我們似乎可以看到它們?/span>

但實(shí)際上，要看到恒星附近的行星，是非常困難的，因?yàn)樾行欠瓷涞墓膺h(yuǎn)遠(yuǎn)暗于恒星自身發(fā)出的光，就像在幾萬(wàn)千米之外看螢火蟲(chóng)在熊熊烈火旁邊飛舞，我們即使用望遠(yuǎn)鏡看到了火堆，也很難看到螢火蟲(chóng)。這使得人類(lèi)長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法搜尋到系外行星。

1952年，著名的恒星物理學(xué)家?jiàn)W托·斯特魯維（Otto Struve，1897 -1963）首次建議：氣態(tài)巨行星會(huì)拽動(dòng)恒星，使其顏色發(fā)生有規(guī)律的變化，可以據(jù)此計(jì)算出恒星朝著我們地球的運(yùn)動(dòng)速度——徑向速度；而且氣態(tài)巨行星可能會(huì)有規(guī)律地遮擋一部分傳播到地球上的恒星光。斯特魯維認(rèn)為，可以用上面的兩個(gè)效應(yīng)來(lái)判斷遠(yuǎn)處恒星周?chē)欠裼行行?。斯特魯維的兩個(gè)想法有何依據(jù)？

首先，行星圍繞恒星運(yùn)動(dòng)時(shí)，恒星自身其實(shí)也在動(dòng)，只是因?yàn)楹阈琴|(zhì)量比行星大得多，因此運(yùn)動(dòng)不明顯，我們就忽略恒星的運(yùn)動(dòng)了。但在某些情況下，這樣的運(yùn)動(dòng)是不可忽略的。比如，當(dāng)行星質(zhì)量很大而恒星質(zhì)量比較小的時(shí)候，恒星的運(yùn)動(dòng)就比較顯著，明顯地與行星繞著共同的中心旋轉(zhuǎn)。

恒星自身在發(fā)光，它們自身的這種運(yùn)動(dòng)，會(huì)引起恒星發(fā)出的光“變色”：當(dāng)恒星朝著我們的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，光會(huì)變得偏藍(lán)；當(dāng)這個(gè)恒星遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，光會(huì)變得偏紅。這就是光的“多普勒效應(yīng)”。根據(jù)這個(gè)效應(yīng)的顯著程度，可以計(jì)算相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度的大小。這就是探測(cè)系外行星的“徑向速度法”。

至于行星遮擋恒星的一部分光，這是很容易理解的。比如我們熟悉的日食，就是因?yàn)樵虑蚯『脫踉诹说厍蚺c太陽(yáng)的中間，把一部分甚至全部陽(yáng)光遮擋住所導(dǎo)致的；水星或者金星有時(shí)候也會(huì)恰好擋在地球與太陽(yáng)之間，在太陽(yáng)的圓面上形成小小的黑點(diǎn)，這就是“水星凌日”現(xiàn)象與“金星凌日”現(xiàn)象。

同樣道理，如果一顆系外行星在圍繞它的母星運(yùn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)“周期性地”擋在恒星與地球之間，就形成了“凌星”現(xiàn)象。雖然看不到那顆恒星上出現(xiàn)的黑點(diǎn)，但依然可以用精密的儀器測(cè)出恒星亮度變暗的程度。這就是探測(cè)系外行星的“凌星法”。

1995年，麥耶與奎洛茲在《自然》（Nature）雜志發(fā)表了一篇論文，他們宣布，通過(guò)對(duì)過(guò)去15年的持續(xù)觀(guān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，他們發(fā)現(xiàn)了一些恒星的顏色出現(xiàn)有規(guī)律的變化，據(jù)此可以推斷出它們?cè)谥貜?fù)擺動(dòng)。

那一年，麥耶53歲；奎洛茲29歲，是麥耶指導(dǎo)的博士研究生。麥耶早在此前十幾年就已經(jīng)在法國(guó)普羅旺斯天文臺(tái)設(shè)立了望遠(yuǎn)鏡與分解星光的光譜儀，持續(xù)觀(guān)測(cè)并改進(jìn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，終于可以探測(cè)到十幾米以?xún)?nèi)的恒星擺動(dòng)速度導(dǎo)致的光的“變色”。

在他們觀(guān)測(cè)的那些恒星中，有一個(gè)被命名為“51 Pegasi”的恒星，表現(xiàn)出了最確定的擺動(dòng)特征，速度最大時(shí)大約是50米每秒，每隔4.23天重復(fù)一次變化。這意味著這顆恒星周?chē)_實(shí)存在一顆行星，它每4.23天轉(zhuǎn)一圈。他們將這個(gè)行星稱(chēng)為“飛馬51 b”（“51 Pegasi b”）。此后，在恒星名稱(chēng)后面加b、c、d……來(lái)命名恒星周?chē)男行?，成為流傳至今的慣例。

根據(jù)麥耶與奎洛茲的分析與計(jì)算，這顆行星的質(zhì)量至少是我們太陽(yáng)系內(nèi)的木星的0.47倍，它所圍繞的那顆恒星是一顆類(lèi)似于太陽(yáng)的恒星。這顆行星與恒星的距離大約是800萬(wàn)千米，大約是太陽(yáng)與地球距離的0.05倍。

但這并不是第一顆被發(fā)現(xiàn)的系外行星。1992年，就已經(jīng)有人首次發(fā)現(xiàn)了系外行星，奇特的是，這顆系外行星圍繞編號(hào)為“PSR B1257+12”的中子星運(yùn)動(dòng)。中子星的質(zhì)量和太陽(yáng)差不多，但半徑只有太陽(yáng)的7萬(wàn)分之一，大小只是一個(gè)小城市的大小，亮度遠(yuǎn)低于太陽(yáng)。我們可以求出生活在這樣一顆行星上的人（如果有的話(huà)）在抬頭看天空中的中子星時(shí)的心理陰影面積。

麥耶與奎洛茲所發(fā)現(xiàn)的系外行星是圍繞一顆類(lèi)似于太陽(yáng)的恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的系外行星，這也是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞“類(lèi)太陽(yáng)”恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星。說(shuō)飛馬座51這顆星類(lèi)似太陽(yáng)，到底有多類(lèi)似呢？它的質(zhì)量是太陽(yáng)的1.11倍，半徑是太陽(yáng)的1.24倍，亮度是太陽(yáng)的1.36倍，溫度與太陽(yáng)溫度幾乎完全相等，年齡大約是61-81億年，是太陽(yáng)的1.32到1.76倍。

雖然圍繞飛馬座51公轉(zhuǎn)的行星是一個(gè)氣態(tài)巨行星，而不是地球這樣的巖石行星，麥耶與奎洛茲走出的這一步依然是一個(gè)巨大的飛躍。

更重要的是，麥耶與奎洛茲的工作首次證明“徑向速度法”是可以用來(lái)搜尋系外行星的。此后一直到現(xiàn)在，從“變色龍”恒星的變色規(guī)律推斷出速度，進(jìn)而推算出系外行星的質(zhì)量的方法（徑向速度法）就一直是搜尋或交叉驗(yàn)證系外行星的重要方法。這就是麥耶與奎洛茲有資格獲得諾獎(jiǎng)的原因。

這次麥耶與奎洛茲獲獎(jiǎng)，很多人并不意外——雖然覺(jué)得與宇宙學(xué)家放一起領(lǐng)獎(jiǎng)有些奇怪，因?yàn)橄低庑行强茖W(xué)在過(guò)去20多年獲得了迅猛的發(fā)展，成為天文領(lǐng)域的超級(jí)新貴。

在麥耶與奎洛茲之后，更多系外行星被發(fā)現(xiàn)。特別是2009年開(kāi)普勒（Kepler）太空望遠(yuǎn)鏡升空并運(yùn)行之后，被發(fā)現(xiàn)的系外行星的數(shù)量猛然增長(zhǎng)：在開(kāi)普勒近10年的運(yùn)行期內(nèi)，它用“凌星法”發(fā)現(xiàn)了幾千顆系外行星，其中有一些是比地球略大的巖石行星。這些都大大促進(jìn)了系外行星的研究。截至2019年10月9日，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡共發(fā)現(xiàn)2734 個(gè)最終被確認(rèn)的系外行星，另外還發(fā)現(xiàn)了3312個(gè)系外行星候選體。被確認(rèn)的系外行星個(gè)數(shù)還在不斷變化，因?yàn)楹竺鏁?huì)有更多候選體被確定為真正的系外行星。

開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡于2018年10月30日退役后，“凌星系外行星巡天衛(wèi)星”（TESS）剛好在不久后升空入軌，開(kāi)展任務(wù)。TESS至今為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了29顆系外行星，并發(fā)現(xiàn)了794顆系外行星候選體。將來(lái)這些候選體中的一部分會(huì)被證實(shí)是真正的系外行星。如果將來(lái)系外行星領(lǐng)域還會(huì)得到諾獎(jiǎng)，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的主要負(fù)責(zé)人是有資格獲獎(jiǎng)的。

地面上使用“凌星法”發(fā)現(xiàn)系外行星的代表是匈牙利自動(dòng)望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)（HATNet），它于1999年啟動(dòng)測(cè)試， 2001年完全運(yùn)轉(zhuǎn)，至今發(fā)現(xiàn)的系外行星超過(guò)了100個(gè)。

除了開(kāi)普勒、TESS與HATNet這些使用“凌星法”的望遠(yuǎn)鏡之外，還有使用徑向速度法的“高精度徑向速度行星搜索器”（HARPS），這是這類(lèi)儀器的第二代，比當(dāng)年麥耶與奎洛茲使用的第一代搜尋儀器更加靈敏。至今為止，HARPS發(fā)現(xiàn)的系外行星的數(shù)目已經(jīng)超過(guò)100個(gè)。

其他多個(gè)用于探測(cè)系外行星的儀器還有多個(gè)，使用的方法除了以上的兩大方法之外，還使用了“直接成像法”“微引力透鏡法”，等等。其中，直接成像法使用特制擋板遮住恒星的光，因此可以直接拍下恒星周?chē)男行恰?/span>

過(guò)去二十多年發(fā)現(xiàn)的系外行星形態(tài)各異：有的是溫度超過(guò)一千度的“熱木星”，有的類(lèi)似于海王星，有的是比地球略大的巖石類(lèi)行星——“超級(jí)地球”。這些系外行星中，有的與它們的母星距離非常近，僅幾天就可以公轉(zhuǎn)一圈。對(duì)這些行星的深入研究，大大推進(jìn)了人類(lèi)對(duì)行星系統(tǒng)形成與演化機(jī)制的認(rèn)識(shí)。那些擁有行星的恒星也形態(tài)各異，有許多是比太陽(yáng)小得多、暗得多的恒星，像太陽(yáng)那樣的恒星反而只占很小的比例。

人們最喜歡的系外行星當(dāng)然是自身類(lèi)似地球且圍繞在類(lèi)似太陽(yáng)的恒星周?chē)哪切?。搜尋這類(lèi)系統(tǒng)，也是將來(lái)這個(gè)領(lǐng)域努力的方向之一。

今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)對(duì)系外行星的兩位先驅(qū)的肯定，也是對(duì)系外行星科學(xué)的一個(gè)肯定。這個(gè)活躍的學(xué)科在過(guò)去二十多年迅猛發(fā)展，也將在未來(lái)持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)在系外行星的一些專(zhuān)家希望能夠讓將來(lái)的光譜儀探測(cè)到恒星低于每秒1米以下的運(yùn)動(dòng)速度。

我們希望將來(lái)可以搜尋到距離地球足夠近的類(lèi)似地球的宜居的的系外行星，雖然最近的系外行星距離我們也有好幾個(gè)光年。飛向宇宙深處，是人類(lèi)的夢(mèng)想之一。

祝賀麥耶與奎洛茲（以及皮伯斯），祝賀所有從事行星科學(xué)研究的天文學(xué)家，也祝賀又?jǐn)孬@諾獎(jiǎng)的整個(gè)天文學(xué)界。最后，祝愿仰望星空的讀者中有人能夠在將來(lái)憑借自己對(duì)星空的探索而獲得這項(xiàng)殊榮。