麥耶與奎洛茲的工作首次證明了“徑向速度法”是可以用來搜尋系外行星的。
撰文 | 王善欽
北京時間2019年10月8日晚間，2019年度的諾貝爾物理學獎公布。今年的物理諾獎被分為兩部分：著名宇宙學家吉姆·皮伯斯（James Peebles，1935-）得到其中一半；著名“系外行星”專家米歇爾·麥耶（Michel Mayor，1942-）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz，1966-）分享另外一半。
2019年諾貝爾物理學獎得主 | 諾獎官網(wǎng)
這個消息出來后，很多天文圈子里的人覺得有些驚訝，因為宇宙學和系外行星是兩個很不相同的領(lǐng)域。不過，我們可以這么想：宇宙學告訴我們從哪里來，系外行星科學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“太陽系外的行星”——“系外行星”——上去。
麥耶與奎洛茲獲獎的原因是：他們發(fā)現(xiàn)天上的一顆星星在擺動，然后根據(jù)擺動的速度大小確定出這顆星星周圍有一顆類似于木星的行星在繞著這顆星轉(zhuǎn)動——就像我們的地球繞著太陽轉(zhuǎn)動。
讓麥耶與奎洛茲獲得諾貝爾獎的那顆星星，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30萬千米的速度跑，需要跑51年才可以到達這顆星。
“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。所以你只要在一個晴朗的秋季夜晚，到一個沒有燈光污染的地方，不借助望遠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的星星——飛馬座51，它也可以用肉眼看到。這并不是我在想當然：中國古人稱飛馬座51為“室宿增一”，他們那時候可沒有望遠鏡。
想想看，你在適當?shù)臈l件下抬頭就可以用肉眼看到的這顆星星，居然也有一個類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，是不是很激動？
在感到神奇與激動之后，你也許也想知道，為什么麥耶與奎洛茲看星星看出了個諾貝爾獎？他們給出那個結(jié)果的原理是什么？他們發(fā)現(xiàn)的這顆行星是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星嗎？還有多少與這個話題有關(guān)的秘密？
人類早已從哲學或者宗教角度猜測宇宙中有大量類似于地球與太陽的系統(tǒng)，當時日心說尚未正式建立，地球被視為中心，太陽被視為繞著地球運轉(zhuǎn)的一顆火球。宗教徒與哲學家猜測宇宙中有很多“世界”，每個世界都有太陽繞著它們轉(zhuǎn)。
在哥白尼（Nikolaj Kopernik，1473-1543）系統(tǒng)建立日心說之后，第一個從科學角度猜測有“太陽系外的行星”的學者是布魯諾（Giordano Bruno，1548-1600）。他于1584年提出：天上的那些基本不動的星星——“恒星”——都是類似于太陽的天體，它們周圍也有類似于地球的行星圍繞它們轉(zhuǎn)動，這些行星自然就是太陽系外的行星，簡稱“系外行星”。
圍繞恒星運轉(zhuǎn)的行星，反射恒星光，我們可以看到太陽系內(nèi)的行星，就是因為它們反射了太陽光。如果一顆遙遠的恒星周圍有行星，它反射恒星的光，我們似乎可以看到它們。
但實際上，要看到恒星附近的行星，是非常困難的，因為行星反射的光遠遠暗于恒星自身發(fā)出的光，就像在幾萬千米之外看螢火蟲在熊熊烈火旁邊飛舞，我們即使用望遠鏡看到了火堆，也很難看到螢火蟲。這使得人類長期以來無法搜尋到系外行星。
1952年，著名的恒星物理學家奧托·斯特魯維（Otto Struve，1897 -1963）首次建議：氣態(tài)巨行星會拽動恒星，使其顏色發(fā)生有規(guī)律的變化，可以據(jù)此計算出恒星朝著我們地球的運動速度——徑向速度；而且氣態(tài)巨行星可能會有規(guī)律地遮擋一部分傳播到地球上的恒星光。斯特魯維認為，可以用上面的兩個效應(yīng)來判斷遠處恒星周圍是否有行星。斯特魯維的兩個想法有何依據(jù)？
首先，行星圍繞恒星運動時，恒星自身其實也在動，只是因為恒星質(zhì)量比行星大得多，因此運動不明顯，我們就忽略恒星的運動了。但在某些情況下，這樣的運動是不可忽略的。比如，當行星質(zhì)量很大而恒星質(zhì)量比較小的時候，恒星的運動就比較顯著，明顯地與行星繞著共同的中心旋轉(zhuǎn)。
恒星自身在發(fā)光，它們自身的這種運動，會引起恒星發(fā)出的光“變色”：當恒星朝著我們的方向運動時，光會變得偏藍；當這個恒星遠離我們運動時，光會變得偏紅。這就是光的“多普勒效應(yīng)”。根據(jù)這個效應(yīng)的顯著程度，可以計算相應(yīng)的運動速度的大小。這就是探測系外行星的“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，就是因為月球恰好擋在了地球與太陽的中間，把一部分甚至全部陽光遮擋住所導(dǎo)致的；水星或者金星有時候也會恰好擋在地球與太陽之間，在太陽的圓面上形成小小的黑點，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動的時候會“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，但依然可以用精密的儀器測出恒星亮度變暗的程度。這就是探測系外行星的“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，通過對過去15年的持續(xù)觀測得到的數(shù)據(jù)進行分析，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)此可以推斷出它們在重復(fù)擺動。
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)在法國普羅旺斯天文臺設(shè)立了望遠鏡與分解星光的光譜儀，持續(xù)觀測并改進數(shù)據(jù)處理技術(shù)，終于可以探測到十幾米以內(nèi)的恒星擺動速度導(dǎo)致的光的“變色”。
在他們觀測的那些恒星中，有一個被命名為“51 Pegasi”的恒星，表現(xiàn)出了最確定的擺動特征，速度最大時大約是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圍確實存在一顆行星，它每4.23天轉(zhuǎn)一圈。他們將這個行星稱為“飛馬51 b”（“51 Pegasi b”）。此后，在恒星名稱后面加b、c、d……來命名恒星周圍的行星，成為流傳至今的慣例。
根據(jù)麥耶與奎洛茲的分析與計算，這顆行星的質(zhì)量至少是我們太陽系內(nèi)的木星的0.47倍，它所圍繞的那顆恒星是一顆類似于太陽的恒星。這顆行星與恒星的距離大約是800萬千米，大約是太陽與地球距離的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為“PSR B1257+12”的中子星運動。中子星的質(zhì)量和太陽差不多，但半徑只有太陽的7萬分之一，大小只是一個小城市的大小，亮度遠低于太陽。我們可以求出生活在這樣一顆行星上的人（如果有的話）在抬頭看天空中的中子星時的心理陰影面積。
麥耶與奎洛茲所發(fā)現(xiàn)的系外行星是圍繞一顆類似于太陽的恒星運轉(zhuǎn)的系外行星，這也是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞“類太陽”恒星運轉(zhuǎn)的行星。說飛馬座51這顆星類似太陽，到底有多類似呢？它的質(zhì)量是太陽的1.11倍，半徑是太陽的1.24倍，亮度是太陽的1.36倍，溫度與太陽溫度幾乎完全相等，年齡大約是61-81億年，是太陽的1.32到1.76倍。
雖然圍繞飛馬座51公轉(zhuǎn)的行星是一個氣態(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的原因。
這次麥耶與奎洛茲獲獎，很多人并不意外——雖然覺得與宇宙學家放一起領(lǐng)獎有些奇怪，因為系外行星科學在過去20多年獲得了迅猛的發(fā)展，成為天文領(lǐng)域的超級新貴。
在麥耶與奎洛茲之后，更多系外行星被發(fā)現(xiàn)。特別是2009年開普勒（Kepler）太空望遠鏡升空并運行之后，被發(fā)現(xiàn)的系外行星的數(shù)量猛然增長：在開普勒近10年的運行期內(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。這些都大大促進了系外行星的研究。截至2019年10月9日，開普勒望遠鏡共發(fā)現(xiàn)2734 個最終被確認的系外行星，另外還發(fā)現(xiàn)了3312個系外行星候選體。被確認的系外行星個數(shù)還在不斷變化，因為后面會有更多候選體被確定為真正的系外行星。
開普勒望遠鏡于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。將來這些候選體中的一部分會被證實是真正的系外行星。如果將來系外行星領(lǐng)域還會得到諾獎，開普勒望遠鏡的主要負責人是有資格獲獎的。
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望遠鏡網(wǎng)絡(luò)（HATNet），它于1999年啟動測試， 2001年完全運轉(zhuǎn)，至今發(fā)現(xiàn)的系外行星超過了100個。
除了開普勒、TESS與HATNet這些使用“凌星法”的望遠鏡之外，還有使用徑向速度法的“高精度徑向速度行星搜索器”（HARPS），這是這類儀器的第二代，比當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100個。
其他多個用于探測系外行星的儀器還有多個，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圍的行星。
過去二十多年發(fā)現(xiàn)的系外行星形態(tài)各異：有的是溫度超過一千度的“熱木星”，有的類似于海王星，有的是比地球略大的巖石類行星——“超級地球”。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。對這些行星的深入研究，大大推進了人類對行星系統(tǒng)形成與演化機制的認識。那些擁有行星的恒星也形態(tài)各異，有許多是比太陽小得多、暗得多的恒星，像太陽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然是自身類似地球且圍繞在類似太陽的恒星周圍的那些。搜尋這類系統(tǒng)，也是將來這個領(lǐng)域努力的方向之一。
今年的諾貝爾物理學獎對系外行星的兩位先驅(qū)的肯定，也是對系外行星科學的一個肯定。這個活躍的學科在過去二十多年迅猛發(fā)展，也將在未來持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)在系外行星的一些專家希望能夠讓將來的光譜儀探測到恒星低于每秒1米以下的運動速度。
我們希望將來可以搜尋到距離地球足夠近的類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光年。飛向宇宙深處，是人類的夢想之一。
祝賀麥耶與奎洛茲（以及皮伯斯），祝賀所有從事行星科學研究的天文學家，也祝賀又斬獲諾獎的整個天文學界。最后，祝愿仰望星空的讀者中有人能夠在將來憑借自己對星空的探索而獲得這項殊榮。
王善欽，2018年獲得南京大學天文學博士學位，2016-2018年訪問加州大學伯克利分校，主要研究超新星爆發(fā)等現(xiàn)象，業(yè)余也研究科學史。
特 別 提 示
