北京時(shí)間2019年10月8日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三位天體物理學(xué)家：美國(guó)普林斯頓大學(xué)教授詹姆斯·皮布斯（James Peebles）、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)教授米歇爾·麥耶（Michel Mayor）和日內(nèi)瓦大學(xué)、劍橋大學(xué)教授迪迪爾·奎洛茲（Didier Queloz），以表彰他們?yōu)椤袄斫庥钪娴难莼偷厍蛟谟钪嬷械奈恢谩弊龀龅呢暙I(xiàn)。這是2000年以來(lái)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第6次垂青天體物理領(lǐng)域相關(guān)的研究成果。
詹姆斯·皮布斯因“物理宇宙學(xué)的理論發(fā)現(xiàn)”獲得表彰，我們暫且按下不表，重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)今年物理獎(jiǎng)的另一項(xiàng)成果“發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞太陽(yáng)型恒星運(yùn)行的系外行星”。如果說(shuō)詹姆斯·皮布斯的物理宇宙學(xué)理論發(fā)現(xiàn)是指引天文學(xué)家走向宇宙的暗處，那么米歇爾·麥耶和迪迪爾·奎洛茲師徒二人則是打開(kāi)了一扇通往太陽(yáng)系外世界探索的明窗。1995年10月6日，米歇爾·麥耶和迪迪爾·奎洛茲公布了他們發(fā)現(xiàn)的第一顆環(huán)繞主序恒星飛馬座51（51 Pegasi）的系外行星：51 Pegasi b，它的公轉(zhuǎn)周期只有4.23天，其中央恒星為一顆與太陽(yáng)類似的G型恒星。他們利用法國(guó)南部上普羅旺斯天文臺(tái)（Observatoire de Haute-Provence，OHP）一架口徑1.93米的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到其視向速度信號(hào)，證認(rèn)了51 Pegasi b是一顆與太陽(yáng)系內(nèi)最大的行星木星相當(dāng)?shù)臍鈶B(tài)巨行星，這項(xiàng)工作發(fā)表于1995年10月的《自然》期刊，自此開(kāi)啟了天文學(xué)與行星科學(xué)的一場(chǎng)劃時(shí)代的革命。法國(guó)上普羅旺斯天文臺(tái)1.93米口徑望遠(yuǎn)鏡| 圖源：OHP
人類對(duì)于系外行星與地外文明的探索源于公元前4世紀(jì)亞里士多德提出的一個(gè)哲學(xué)命題——“我們?cè)谟钪嬷惺欠窆陋?dú)？”系外行星探索歷史始終伴隨著人類文明和科學(xué)的發(fā)展歷程。早在16世紀(jì)，哥白尼“日心說(shuō)”的早期支持者——意大利哲學(xué)家喬達(dá)諾·布魯諾就提出了其他恒星與太陽(yáng)相似，也有行星相伴的觀點(diǎn)。18世紀(jì)，英國(guó)數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家艾薩克·牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中也提到了類似的觀點(diǎn)。1952年，俄裔美國(guó)天文學(xué)家?jiàn)W托·斯特魯夫指出：系外行星可能比太陽(yáng)系行星更接近它們的宿主恒星，并提出多普勒光譜測(cè)量和凌星法(Transit)可以探測(cè)到短周期軌道上的超級(jí)木星(Super-Jupiter)。1992年1月9日，射電天文學(xué)家Aleksander Wolszczan和Dale Frail宣布發(fā)現(xiàn)了兩顆圍繞脈沖星 PSR 1257+12公轉(zhuǎn)的行星。這一發(fā)現(xiàn)得到了證實(shí)，并且被認(rèn)為是對(duì)系外行星的首次明確探測(cè)。直至1995年，隨著高精度視向速度終端儀器的研發(fā)和探測(cè)精度的不斷提升，第一顆熱木星51 Pegasi b被發(fā)現(xiàn)。恒星受到圍繞它公轉(zhuǎn)的行星的引力擾動(dòng)，會(huì)發(fā)生移動(dòng)，通過(guò)對(duì)恒星這種移動(dòng)的視向速度的監(jiān)測(cè)，便可得出繞轉(zhuǎn)行星的相關(guān)信息。51 Pegasi b是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞主序恒星的系外行星。這一發(fā)現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代系外行星探測(cè)新時(shí)代。51 Pegasi視向速度測(cè)量。正值表示遠(yuǎn)離我們，負(fù)值表示靠近我們。今天，系外行星的探測(cè)手段已從早期的視向速度法(Radial Velocity)，發(fā)展為凌星法(Transit)、天體測(cè)量法(Astrometry)、直接成像法(Direct Imaging)、微引力透鏡法(Microlensing)及脈沖星計(jì)時(shí)法(Pulsar Timing)等方法。
51 Pegasi 行星系統(tǒng)與太陽(yáng)系比較 | 圖源：NASA/JPL-Caltech目前在銀河系中發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的系外行星已超過(guò)4100多顆，特別是Kepler空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了超過(guò)2300多顆行星，這些行星大小不一形態(tài)各異，包括熱木星、亞海王星、類地行星、超級(jí)地球等類型，與我們所熟悉的太陽(yáng)系大行星迥然不同。各種類型的系外行星族群及對(duì)應(yīng)探測(cè)方法 | 圖源：NASA2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的桂冠讓更多人了解了這項(xiàng)偉大的工作。
未來(lái)，針對(duì)地外生命和宜居行星系統(tǒng)的搜索將成為系外行星研究的前沿課題，特別是那些位于類太陽(yáng)型恒星的宜居帶、與地球類似的所謂宜居行星是人類追尋系外行星探測(cè)的終極目標(biāo)。天文學(xué)家將行星系統(tǒng)中適合生命的行星軌道范圍稱為“宜居帶”。這個(gè)范圍主要取決于中央恒星的類型和輻射強(qiáng)度，與中央恒星相隔一段合適的距離，此處的行星表面平均溫度能夠使液態(tài)水穩(wěn)定存在，可能擁有與地球類似的生命環(huán)境條件。在我們太陽(yáng)系，宜居帶大致分布在金星軌道到火星軌道之間，地球剛好在其中。2007年發(fā)現(xiàn)的Gliese 581c被認(rèn)為是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆在宜居帶的系外類地行星。然而，生命的穩(wěn)定存在還有許多其它條件，如足夠長(zhǎng)的恒星和行星壽命以供生命產(chǎn)生、適宜的恒星光度、穩(wěn)定的低離心率行星軌道和自轉(zhuǎn)傾斜度、合適成分的行星大氣等。
找到了處于宜居帶的系外類地行星又如何判斷它們是否適合生命存在呢？這可以通過(guò)尋找行星大氣光譜中的“化學(xué)指紋”來(lái)判斷。行星本身不發(fā)光，而是反射中央恒星發(fā)出的光，同時(shí)產(chǎn)生紅外輻射。若它具有大氣，則行星大氣會(huì)吸收部分恒星輻射和行星本身的紅外輻射。通過(guò)凌星法探測(cè)并比較恒星在被行星遮掩前后的光譜變化，即可得到行星大氣的化學(xué)成分信息；此外，科學(xué)家亦可直接觀測(cè)得到行星的可見(jiàn)光和紅外光譜。分析這些光譜后，可以知道大氣中是否有水、二氧化碳、甲烷、氧氣（或臭氧）等適合生命存在的重要化學(xué)成分，這些化學(xué)成分的組合被稱為“化學(xué)指紋”。未來(lái)的空間任務(wù)如JWST、ARIEL將在這方面給出科學(xué)線索。
我國(guó)天文學(xué)家利用南極冰穹A得天獨(dú)厚的天文觀測(cè)臺(tái)址條件，通過(guò)一架50厘米口徑的南極巡天望遠(yuǎn)鏡（AST）觀測(cè)，用凌星法發(fā)現(xiàn)了近100多個(gè)系外行星的候選體，有待進(jìn)一步觀測(cè)認(rèn)證。推進(jìn)中的中國(guó)南極昆侖站天文臺(tái)也將地球質(zhì)量大小的系外行星搜尋作為主要科學(xué)目標(biāo)之一。
中國(guó)科學(xué)院在“空間科學(xué)（二期）”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)前瞻性布局了系外行星探測(cè)方向，期望通過(guò)搜尋發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系近鄰類太陽(yáng)恒星宜居帶的類地行星。科學(xué)家們積極推進(jìn)“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”，希望通過(guò)發(fā)射一個(gè)1.0米級(jí)口徑的空間望遠(yuǎn)鏡，基于高精度天體測(cè)量和定位技術(shù)觀測(cè)距離地球32光年外100個(gè)類太陽(yáng)恒星，搜尋類地宜居行星。我國(guó)載人空間站上也將搭載的高對(duì)比度系外行星成像儀，利用直接成像法來(lái)研究系外行星大氣，提供系外生命的可能線索。此外，中國(guó)正在積極參與建設(shè)的國(guó)際合作項(xiàng)目30米望遠(yuǎn)鏡（TMT）和平方公里陣（SKA）均把系外行星的搜尋作為重要研究目標(biāo)之一。我們有理由相信，人類最終將能夠回答“我們?cè)谟钪嬷惺欠窆陋?dú)？”這一古老的問(wèn)題，并深刻了解地球乃至人類在宇宙中的位置?！?strong>我們的征途是星辰大海”，需要“攜手探索浩瀚宇宙 共創(chuàng)人類美好未來(lái)”的情懷。
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