2019年的諾貝爾物理學獎已經(jīng)于10月8日揭曉。 這次的三位獲獎?wù)叽蠹铱赡芤呀?jīng)通過這幾天的新聞了解到了，他們分別是： 這次諾貝爾物理學獎的頒獎詞所描述的范圍也比較大： “For contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth’s place in the cosmos” 獎勵他們，為我們理解宇宙的演化以及地球在宇宙中的位置做出的貢獻。 三位科學家都是天體物理學界的大牛，有很多文章已經(jīng)對他們做了詳細的介紹。其中，后兩位的獲獎理由是： “For the discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star” 是的，兩位科學家最杰出的貢獻就是發(fā)現(xiàn)并確認了太陽系外的第一顆環(huán)繞類似太陽的恒星旋轉(zhuǎn)的系外行星。 這顆行星，被稱為51 Pegasi b。 No.1 這顆星在哪里？ 51 Pegasi b，用中文來說，就是飛馬座51b。飛馬座51，是位于飛馬座的一顆類太陽的主序星；飛馬座51b，指的就是環(huán)繞飛馬座51的最近的一顆行星。天文學界的慣例，就是在恒星后面跟一個小寫字母，從b開始，來表示其行星。此外，也有用從A開始的大寫字母編號的方式。 飛馬座51，用中國傳統(tǒng)名稱，則是室宿增一，本身不是很亮，但是比較近，距離太陽大約50.9光年，視星等5.49，在沒有光污染的情況下，肉眼也可以看到。 No.2 這顆行星是怎么被發(fā)現(xiàn)的？ 50.9光年說遠確實不遠，畢竟我們已知的宇宙是以百億光年來計的。但是要說近，那是絕對不對的，就算是光，也要跑50多年才能到達我們的眼睛。相對于這么大的距離尺度，要觀測一個“渺小”的行星，是很難用望遠鏡做到的——更不要說行星本身幾乎不發(fā)光，本來也沒有什么信號。 那么這兩位科學家是怎么做到的呢？ 他們運用了一種，叫做“多普勒光譜學”的方法（也叫徑向速度測量法）。 這種方法是Otto Struve于1952年提出的。大概的意思是，恒星和行星的引力是相互的，如果是一顆比較大的行星圍繞恒星旋轉(zhuǎn)，那么這兩體的質(zhì)心，會比較明顯的偏移恒星的中心，從而使在體系外的觀測者看起來這個恒星在原地旋轉(zhuǎn)。 在這個時候，因為恒星在相對于地面上的觀測者做周期性的運動，那么這顆恒星的多普勒頻移，就會周期性地呈現(xiàn)出藍移和紅移。 如果觀測到這種周期性的藍移和紅移，就說明有一顆質(zhì)量可觀的行星在圍繞這顆恒星旋轉(zhuǎn)。 于是，這次獲得諾貝爾獎的Michel Mayor和Didier Queloz兩個人，利用這個原理，制作了ELODIE攝譜儀，這臺儀器能夠監(jiān)測最小7米每秒恒星的徑向速度。 1993年，這臺儀器安裝使用，僅僅兩年，1995年10月6日，兩位科學家就確認并發(fā)表了關(guān)于51 Pegasi b的發(fā)現(xiàn)成果。 聰明的你，一定立刻就會想到——這個方法看起來很厲害，那就一定有缺陷！是的，這個方法的一個重大缺陷就是：如果這顆行星的軌道面正好垂直于我們觀測它的視線方向，我們就無法用這個方法找到系外行星。 原理很好理解。如果像上圖中示意的一樣，軌道平面和我們的視線平行，那么，恒星的周期運動，一定會相對于我們忽遠忽近，有一個視線方向上的速度變化，這使我們能夠看到紅藍移的周期變化。 但是如果像這樣，軌道平面正對我們，那么恒星再怎么轉(zhuǎn)，相對于我們的位置也幾乎不變，我們也就得不到紅藍移的周期信息。 此外，有些恒星本來就不穩(wěn)定，會膨脹、縮小以及閃爍，也會影響這個方法的有效性。 No.3 這顆行星長什么樣子？ 剛才也說到，51 Pegasi b，是51 Pegasi的第一顆行星。這是一顆“熱木星（Hot Jupiters）”。什么叫熱木星呢？顧名思義，很熱的木星。這個熱是由外而內(nèi)的。飛馬座51和他的行星特別親熱——超出地球人想象的親熱。飛馬座51b，公轉(zhuǎn)周期只有大約4個地球日，這比水星約88個地球日的公轉(zhuǎn)周期要短得多得多得多得多。也就是說，它距離飛馬座51的距離，也比水星到太陽的距離近得多得多。 剛開始科學家都以為51 Pegasi b是個類地行星，有著堅實的地表，就像水星那樣非常非常非常大，有半個木星那么重，大約相當于150個地球質(zhì)量。因為過去科學家確實沒有見識過距離太陽這么近的行星，本能就覺得應(yīng)該類比太陽系。那個時候的行星演化理論，也無法支持氣態(tài)巨行星在這么近的地方出現(xiàn)。 最開始，科學家推測它可能是一顆褐矮星，被剝離了外表，只剩下核心。算是一個分解了的恒星的殘留物——因此含有比較高的重元素成份。 后來，更多的類似熱木星被發(fā)現(xiàn)，例如巨蟹座55（55 Cancri）和牧夫座Τ（τ Bo?tis），熱木星成為一個專門的門類，來描述這些很熱、距離恒星很近的氣體巨星。51 Pegasi b像木星一樣，是一顆氣體巨行星（Gas Giant）。它有著厚厚的大氣層，可能有個固態(tài)的內(nèi)核。不考慮溫室效應(yīng)和潮汐加熱作用，且假設(shè)球面反照率為0.1，那么它的表面溫度應(yīng)該達到1265K。由于這種高溫，它雖然只有半個木星重，但是估計半徑比木星還要大。 就很膨脹。 現(xiàn)在，51 Pegasi b被國際天文學聯(lián)合會命名為Dimidium，拉丁語意為“一半”，意思是半個木星。 51 Pegasi b的藝術(shù)想象圖 所以你看，觀測手段的提升往往能帶來科學的飛躍。 No.4 地外行星有沒有什么土特產(chǎn)？ 很遺憾目前沒有發(fā)現(xiàn)，就算有，我們也難以從狂暴的氣體巨星上開采土特產(chǎn)。不過，還有一些別的選項。 這次諾貝爾獎的描述是，首次發(fā)現(xiàn)圍繞“類太陽恒星”旋轉(zhuǎn)的系外行星。聰明的讀者一定又一次發(fā)現(xiàn)了漏洞！ 那就是，沒說是首次發(fā)現(xiàn)系外行星。 沒錯，別的類型的系外行星，在這之前就已經(jīng)有所發(fā)現(xiàn)了。 這樣的行星，并不圍繞一顆“類似太陽的”主序星旋轉(zhuǎn)，而是圍繞“恒星的遺骸”，脈沖星旋轉(zhuǎn)。 PSR B1257+12，又被稱為“巫妖星”（Lich）。（恰逢魔獸世界懷舊服剛剛上線不久，祝大家排隊愉快） 巫妖和他的行星們：尸鬼、促狹鬼、夢魘 過去科學家認為，只有主序星才可能擁有行星，但是人類首次發(fā)現(xiàn)的系外行星，就是環(huán)繞非主序星的——可能這就是愛情吧，總是充滿意外和打臉。 1992年，Wolszczan和Frail，通過用脈沖計時法(Pulse Timing)，分析巫妖的射電信號：脈沖星有很強的射電信號，發(fā)現(xiàn)并確認了第一顆和第二顆系外行星，PSR B1257+12b，尸鬼（Draugr），PSR B1257+12c，促狹鬼（Poltergeist）。1994年發(fā)現(xiàn)了第三顆，PSR B1257+12d，夢魘（Phobetor）。 尸鬼、促狹鬼和夢魘的成比例的藝術(shù)想象圖 可以看到，三顆地外行星，都比這次獲獎的地外行星更早被確認，而且這樣的反常的案例，也一樣推動了人類對宇宙的認識，但是目前他們還沒得過諾獎。也許評選委員會有自己的考慮吧。 現(xiàn)在，科學家認為，“巫妖”可能還存在第四個手下，但是相關(guān)研究還不夠充分，不能認定。 那么，說好的土特產(chǎn)呢？！ 還記得曾經(jīng)，我們在“滅霸同款土豆試吃指南”里寫過，土星這樣的氣體巨星，內(nèi)部溫度壓強很高，因此會形成鉆石雨——鉆石雨落在了哪里呢？那當然是沉淀在其固態(tài)的核心里。 目前的研究表明，巫妖的三個召喚獸，可能有兩種形成原因，第一可能是原來的恒星死亡之后，變成白矮星，白矮星又和另一顆白矮星碰撞、粉碎，形成新的吸積盤。這三顆行星就在新的吸積盤中形成；但是也有一種可能，那就是這些行星其實是原來的氣體巨星的固態(tài)內(nèi)核，在超新星爆發(fā)中，氣體巨星的大氣層被整個剝離，只剩內(nèi)核。 美國普林斯頓大學的Marc Kuchner認為，這些行星很可能富集碳元素，在上述的溫壓條件下，有可能富含金剛石。 鉆戒貶值預警。 我也想得諾貝爾獎怎么辦？ 現(xiàn)在，尋找新的太陽系外行星的方法，除了上述的徑向速度法、脈沖計時以外，還有十多種至少成功過一次的方法，以及五六種可能靠譜的方法。方法很多，星空也非常廣大，要么提出一個新方法，要么找到一顆別具一格的，比如說和地球一毛一樣的系外行星；或者開上飛船，拉回一船鉆石的行星，拍在諾貝爾獎評委會臉上，讓他們單獨給你開一個新的獎項，我覺得都是不錯且有操作性的方法。 圖注：截至2014年9月，每年發(fā)現(xiàn)的系外行星 （圖中不同的顏色表示不同的探測方法得到的結(jié)果。其中藍色為徑向速度法。） 正如這次頒獎詞寫的： “For contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth’s place in the cosmos” 用心、用力、用情，去開拓人類知識的邊疆。 人類會銘記你的貢獻。 美編：高欣欣 校對：黃志偉
