編者按
隨著本年度諾貝爾物理學獎的揭曉，物理宇宙學成了各大媒體熱議的話題。本文作者王爽，早在去年就預言了米歇爾?馬約爾和迪埃?奎洛茲會得到諾獎。因為他們首次發(fā)現(xiàn)太陽系外圍繞類日恒星運轉的行星，對物理宇宙學來說，實在意義重大。
在開始今天的銀河系之旅前，我們要知道，在天文學史上，飛馬座51b是一個具有重大歷史意義的景點：它是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆繞主序星旋轉的系外行星，而它的發(fā)現(xiàn)也宣告了系外行星探索時代的到來。
其實很早就有人懷疑，在茫茫宇宙中還有許多其他的行星。比如說，早在16世紀，被羅馬教廷燒死的意大利哲學家喬丹諾·布魯諾就猜想，漫天繁星其實就是遠處的太陽，也有很多行星在繞它們旋轉。此外，大名鼎鼎的牛頓爵士也在他的傳世巨著《自然哲學的數(shù)學原理》中表達了相同的觀點。
然而，尋找系外行星是一件極端困難的事情。原因很簡單。行星本身不會發(fā)光，只能夠反射恒星的光芒；這意味著，行星的絕對亮度其實非常非常微弱。另一方面，即使是最近的那些恒星，它們與地球之間的距離也要以光年計。相距如此遙遠的情況下，系外行星肯定會被籠罩在它所環(huán)繞的恒星的光芒中；換句話說，系外行星根本無法被地球上的望遠鏡所看到。
師徒破局
幾百年來，人們一直無法找到支持系外行星存在的有力證據。從19世紀開始，不斷有人跑出來宣稱他們發(fā)現(xiàn)了太陽系以外的行星。但事實證明，他們幾乎全是自己看花了眼。
一直到20世紀90年代，才有人橫空出世，用相當有力的證據證明了系外行星的存在。完成這一壯舉的人，是一對來自瑞士的師徒。
其中的老師是米歇爾·馬約爾。1971年，馬約爾在瑞士的日內瓦大學拿到博士學位。在劍橋大學、歐洲南方臺和夏威夷大學工作了幾年以后，他又回到了日內瓦大學任教，并在那里一直干到退休。
其中的學生是迪迪?！た迤?/strong>。20世紀90年代初，奎洛茲考進了日內瓦大學天文系，然后成了馬約爾的博士研究生。博士畢業(yè)后，他在劍橋大學卡文迪許實驗室找到了永久職位。
新大陸：徑向速度法
可能有讀者會問了：“這對師徒到底是用什么辦法，才捅破這層天文學界花了400多年也沒能捅破的窗戶紙呢？”答案是我們在游覽比鄰星b的時候就已經講過的徑向速度法。下面，我就帶大家回顧一下這種方法。
如果一顆恒星的周圍真的存在一顆行星，此恒星和此行星就會構成一個彼此繞轉的兩體系統(tǒng)。你不妨把一顆恒星想象成一個在舞會上落單的人，只能孤零零地站著不動。如果它有了一顆行星，那就是有了一個舞伴，就可以與舞伴一起跳旋轉舞了。當然，由于恒星質量遠遠大于行星質量，恒星旋轉的幅度遠比行星要小。
由于在彼此旋轉，當行星離地球遠去時，恒星就會略微地靠近地球；此時，恒星發(fā)出的光就會發(fā)生輕微的藍移。反之，當行星向地球飛來時，恒星就會略微地遠離地球；此時，恒星發(fā)出的光就會發(fā)生輕微的紅移。這樣一來，如果一顆恒星的周圍真的存在一顆行星，這顆恒星的光譜就會出現(xiàn)周期性的藍移和紅移交替的現(xiàn)象。換言之，如果發(fā)現(xiàn)一顆恒星的光譜出現(xiàn)了周期性的藍移和紅移交替的現(xiàn)象，就可以斷定這顆恒星擁有一顆行星。這種探測系外行星的方法就是徑向速度法。
1995年底，馬約爾和奎洛茲在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，宣布他們用位于法國普羅旺斯天文臺的一臺新型光譜儀，測出一顆與太陽相距50光年、名叫飛馬座51的恒星的光譜中，存在一個周期為4.2天的藍移紅移交替的現(xiàn)象。由此可以推斷出，在離飛馬座51僅僅800萬千米的地方，有一個和木星差不多大小、公轉周期為4.2天的行星。馬約爾和奎洛茲把這顆行星稱為飛馬座51b。它是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一顆繞主序星旋轉的系外行星。
這個劃時代的重大發(fā)現(xiàn)，為人類打開了一扇通往新世界的大門。在此后的20多年的時間里，追隨著馬約爾和奎洛茲的足跡，天文學家們發(fā)現(xiàn)了將近4000顆系外行星。著名的《紐約時報》甚至把馬約爾和奎洛茲發(fā)現(xiàn)系外行星這件事與哥倫布發(fā)現(xiàn)美洲大陸相提并論，并稱這對師徒為“新世界的發(fā)現(xiàn)者”。
后來居上的“程咬金”
這個諾獎級的重大發(fā)現(xiàn)，給馬約爾帶來了數(shù)不清的榮譽。不過，奎洛茲就沒這么幸運了。長達20年的時間里，他一直被排除在天文學界的各大獎項之外。為什么奎洛茲會如此倒霉呢？因為有一個“程咬金”從半路殺了出來。此人就是美國天文學家杰弗里·馬西。
馬西本來是一個文科生。他本科就讀于加州大學洛杉磯分校，主修文學學士學位。在此期間，他又選修了一個天文學的雙學士學位，而這個決定徹底改變了他的人生軌跡。本科畢業(yè)后，馬西選擇了轉行，前往加州大學圣克魯斯分校攻讀天文學博士學位。獲得博士學位以后，他在卡內基研究院和威爾遜山天文臺做了幾年博士后，然后在舊金山州立大學找到了終身教職。
20世紀90年代初，馬西也開始搜尋系外行星。他沒有斗過馬約爾、奎洛茲師徒，后者在1995年率先發(fā)現(xiàn)飛馬座51b。雖然輸在了起跑線上，但是馬西成功地后來居上。事實上，在人類發(fā)現(xiàn)的前100顆系外行星中，有70多顆是馬西的研究團隊發(fā)現(xiàn)的。
為什么馬西能在尋找系外行星的競賽中一騎絕塵呢？因為他率先使用了另外一種探測系外行星的方法，也就是所謂的凌星法。
凌星法的原理非常簡單。我們在游覽太陽系的時候已經講過，整個太陽系內的天體基本都處在同一個平面上。同樣的道理，整個銀河系內的天體也基本都處在同一個平面上。這意味著，如果一顆遠方的恒星擁有一顆行星，那么此行星圍繞此恒星旋轉的平面，就不太可能與我們看這顆恒星的視線方向垂直。這樣一來，當這顆行星運動到地球與恒星之間的時候，就會擋住恒星發(fā)出的部分光芒，從而使此恒星的視星等在一段時間內出現(xiàn)微小的下降；而當行星運動到其他地方的時候，恒星的視星等又會恢復正常。
由于行星總在以一個固定的周期繞恒星旋轉，它在地球和恒星之間穿行的時間將具有周期性，從而使恒星視星等也出現(xiàn)周期性的下降。換句話說，如果我們觀測到某顆恒星的視星等總是周期性的下降（隨后又恢復正常），就可以斷定這顆恒星一定擁有自己的行星。這種探測系外行星的方法就是凌星法。時至今日，凌星法已經超過了徑向速度法，成了發(fā)現(xiàn)系外行星的頭號利器。
憑借著搜尋系外行星效率上的壓倒性優(yōu)勢，馬西擠掉了奎洛茲，成了與馬約爾并駕齊驅的系外行星探索領域的標志性人物。1999年底，馬西跳槽到了加州大學伯克利分校（美國排名第一的公立名校）；又過了3年，他就當選為美國科學院院士。此后，他和馬約爾拿遍了天文學界的所有大獎，包括2005年的邵逸夫天文學獎。
緋聞纏身，跌下神壇
由于在系外行星探索領域的杰出貢獻，馬西也一度成為了諾貝爾物理學獎的大熱人選?？赡苡幸恍┳x者已經注意到這種說法的詭異之處了：為什么要說是“一度”呢？因為現(xiàn)在的馬西，已經從神壇墜入了深淵。
2015年，先后有4位女士向加州大學伯克利分校投訴，說馬西曾對她們進行性騷擾。隨后，校方對馬西展開了一個為期6個月的調查，并于2015年10月公布調查報告。這份調查報告指出，從1995年開始，在長達20年的時間里，馬西至少對7位女士進行過性騷擾。此調查報告一經公布，立刻在學術界掀起了軒然大波。加州大學伯克利分校的一大批教職員工隨即發(fā)表聯(lián)名信，要求馬西立刻從學校滾蛋。
迫于壓力，馬西于2015年10月7日在網上貼出了一封公開信，宣布對自己的所作所為道歉，并且辭去加州大學伯克利分校的講席教授職位。此后，馬西在學術界銷聲匿跡。這個系外行星探索領域的先驅，就這樣成了后來另一場影響深遠的著名社會運動的“先烈”。
馬西墜入深淵，為奎洛茲掃除了前進道路上最大的障礙。2017年，他取代了馬西，與自己的前導師馬約爾一起獲得了著名的沃爾夫物理學獎。我在此預言，早晚有一天，這對師徒會戴上諾獎的皇冠。
關于系外行星更詳細的內容，可以關注作者今年10月即將出版的新書《宇宙奧德賽：穿越銀河系》。
作者：王爽
