一顆肉眼能看到的星星，怎就引出了一個諾貝爾物理學獎？

麥耶與奎洛茲的工作初次證實了“徑標的目的速度法”是可以用來搜尋系外行星的。

海說神聊京時候2019年10月8日晚間，2019年度的諾貝爾物理學獎發布。本年的物理諾獎被分為兩部門：聞名宇宙學家吉姆·皮伯斯（James Peebles，1935-）獲得此中一半；聞名“系外行星”專家米歇爾·麥耶（Michel Mayor，1942-）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz，1966-）分享別的一半。

2019年諾貝爾物理學獎得本家兒 | 諾獎官網

這個動靜出來后，良多天文圈子里的人感覺有些驚奇，因為宇宙學和系外行星是兩個很不不異的范疇。不外，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：今后地球不順應保存了，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：他們發現天上的一顆星星在擺動，然后按照擺動的速度巨細確定出這顆星星四周有一顆近似于木星的行星在繞著這顆星動彈——就像我們的地球繞著太陽動彈。

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年才可以達到這顆星。

“飛馬座51”是5等星。人眼可以或許看到的最暗星是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處所，不借助千里鏡就可以看到飛馬座與仙女座的4顆敞亮星星組成的一個四邊形，四邊形右邊那顆細姨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：中國前人稱飛馬座51為“室宿增一”，他們那時辰可沒有千里鏡。

圖中紅圈內部的黑點就是飛馬座51，旁邊所有光點也都是恒星 | Wikipedia

想想看，你在恰當的前提下昂首就可以用肉眼看到的這顆星星，居然也有一個近似于木星的行星繞著它轉，這是不是很神奇？它居然可以讓人拿到諾貝爾獎，是不是很沖動？

在感應神奇與沖動之后，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？他們給出那個成果的道理是什么？他們發現的這顆行星是人類發現的第一顆系外行星嗎？還有幾多與這個話題有關的奧秘？

系外行星的早期摸索

人類早已從哲學或者宗教角度猜測宇宙中有大量近似于地球與太陽的系統，那時日心說尚未正式成立，地球被視為中間，太陽被視為繞著地球運轉的一顆火球。宗教徒與哲學家猜測宇宙中有良多“宿世界”，每個宿世界都有太陽繞著它們轉。

在哥白尼（Nikolaj Kopernik，1473-1543）系統成立日心說之后，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：天上的那些根基不動的星星——“恒星”——都是近似于太陽的天體，它們四周也有近似于地球的行星環繞它們動彈，這些行星天然就是太陽系外的行星，簡稱“系外行星”。

環繞恒星運轉的行星，反射恒星光，我們可以看到太陽系內的行星，就是因為它們反射了太陽光。若是一顆遙遠的恒星四周有行星，它反射恒星的光，我們似乎可以看到它們。

但現實上，要看到恒星四周的行星，長短常堅苦的，因為行星反射的光遠遠暗于恒星自身發出的光，就像在幾萬千米之外看螢火蟲在熊熊猛火旁邊飄動，我們即利用千里鏡看到了火堆，也很難看到螢火蟲。這使得人類持久以來無法搜尋到系外行星。

捕獵系外行星：不雅測恒星顏色與亮度的轉變

1952年，聞名的恒星物理學家奧托·斯特魯維（Otto Struve，1897 -1963）初次建議：氣態巨行星會拽動恒星，使其顏色發生有紀律的轉變，可以據此計較出恒星朝著我們地球的活動速度——徑標的目的速度；并且氣態巨行星可能會有紀律地遮擋一部門傳布到地球上的恒星光。斯特魯維認為，可以用上面的兩個效應來判定遠處恒星四周是否有行星。斯特魯維的兩個設法有何依據？

起首，行星環繞恒星活動時，恒星自身其實也在動，只是因為恒星質量比行星大得多，是以活動不較著，我們就忽略恒星的活動了。但在某些環境下，這樣的活動是不成忽略的。好比，當行星質量很大而恒星質量比力小的時辰，恒星的活動就比力顯著，較著地與行星繞著配合的中間扭轉。

恒星會拽動行星，行星也會拽動恒星，二者繞著一個配合的點（質心）公轉 | Wikipedia

恒星自身在發光，它們自身的這種活動，會引起恒星發出的光“變色”：當恒星朝著我們的偏向活動時，光會變得偏藍；當這個恒星遠離我們活動時，光會變得偏紅。這就是光的“多普勒效應”。按照這個效應的顯著水平，可以計較響應的活動速度的巨細。這就是探測系外行星的“徑標的目的速度法”。

徑標的目的速度法的道理：恒星被行星的引力拽動，繞著一個固心猿意馬點扭轉，時而遠離我們，時而接近我們，它們發出的光時而偏藍，時而偏紅，輪回來去。| homepage.divms.uiowa.edu

至于行星遮擋恒星的一部門光，這是很輕易理解的。好比我們熟悉的日食，就是因為月球剛好擋在了地球與太陽的中心，把一部門甚至全數陽光遮蓋住所導致的；水星或者金星有時辰也會剛好擋在地球與太陽之間，在太陽的圓面上形當作小小的黑點，這就是“水星凌日”現象與“金星凌日”現象。

同樣事理，若是一顆系外行星在環繞它的母星活動的時辰會“周期性地”擋在恒星與地球之間，就形當作了“凌星”現象。固然看不到那顆恒星上呈現的黑點，但依然可以用緊密的儀器測出恒星亮度變暗的水平。這就是探測系外行星的“凌星法”。

凌星法的道理：行星遮擋恒星發標的目的地球的光，導致恒星亮度降低 | https://www.google.com/amp/s/platomission.com/2018/05/21/the-transit-method/amp/

石破天驚：初次探測到環繞另一個太陽的行星

1995年，麥耶與奎洛茲在《天然》（Nature）雜志頒發了一篇論文，他們頒布發表，經由過程對曩昔15年的持續不雅測獲得的數據進行闡發，他們發現了一些恒星的顏色呈現有紀律的轉變，據此可以揣度出它們在反復擺動。

那一年，麥耶53歲；奎洛茲29歲，是麥耶指導的博士研究生。麥耶早在此前十幾年就已經在法國普羅旺斯天文臺設立了千里鏡與分化星光的光譜儀，持續不雅測并改良數據處置手藝，終于可以探測到十幾米以內的恒星擺動速度導致的光的“變色”。

麥耶與奎洛茲頒發在《天然》（Nature）的論文的一部門內容

在他們不雅測的那些恒星中，有一個被定名為“51 Pegasi”的恒星，表示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天反復一次轉變。這意味著這顆恒星四周確實存在一顆行星，它每4.23天轉一圈。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……來定名恒星四周的行星，當作為傳播至今的老例。

麥耶與奎洛茲在論文中給出的恒星的擺動速度圖，有紀律的擺動，證實這顆恒星四周存在一顆行星

按照麥耶與奎洛茲的闡發與計較，這顆行星的質量至少是我們太陽系內的木星的0.47倍，它所環繞的那顆恒星是一顆近似于太陽的恒星。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現的系外行星。1992年，就已經有人初次發現了系外行星，獨特的是，這顆系外行星環繞編號為“PSR B1257+12”的中子星活動。中子星的質量和太陽差不多，但半徑只有太陽的7萬分之一，巨細只是一個小城市的巨細，亮度遠低于太陽。我們可以求出糊口在這樣一顆行星上的人（若是有的話）在昂首看天空中的中子星時的心理暗影面積。

麥耶與奎洛茲所發現的系外行星是環繞一顆近似于太陽的恒星運轉的系外行星，這也是人類發現的第一顆環繞“類太陽”恒星運轉的行星。說飛馬座51這顆星近似太陽，到底有多近似呢？它的質量是太陽的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，春秋大約是61-81億年，是太陽的1.32到1.76倍。

固然環繞飛馬座51公轉的行星是一個氣態巨行星，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龐大的飛躍。

更主要的是，麥耶與奎洛茲的工作初次證實“徑標的目的速度法”是可以用來搜尋系外行星的。此后一向到此刻，從“變色龍”恒星的變色紀律揣度出速度，進而推算出系外行星的質量的方式（徑標的目的速度法）就一向是搜尋或交叉驗證系外行星的主要方式。這就是麥耶與奎洛茲有資格獲得諾獎的原因。

系外行星科學：一門敏捷成長的學科

此次麥耶與奎洛茲獲獎，良多人并不料外——固然感覺與宇宙學家放一路領獎有些奇異，因為系外行星科學在曩昔20多年獲得了迅猛的成長，當作為天文范疇的超等新貴。

在麥耶與奎洛茲之后，更多系外行星被發現。出格是2009年開普勒（Kepler）太空千里鏡升空并運行之后，被發現的系外行星的數目驀地增加：在開普勒近10年的運行期內，它用“凌星法”發現了幾千顆系外行星，此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，開普勒千里鏡共發現2734 個最終被確認的系外行星，別的還發現了3312個系外行星候選體。被確認的系外行星個數還在不竭轉變，因為后面會有更多候選體被確定為真正的系外行星。

開普勒千里鏡于2018年10月30日退役后，“凌星系外行星巡天衛星”（TESS）剛好在不久后升空入軌，開展使命。TESS至今為止已經發現了29顆系外行星，并發現了794顆系外行星候選體。未來這些候選體中的一部門會被證實是真正的系外行星。若是未來系外行星范疇還會獲得諾獎，開普勒千里鏡的本家兒要負責人是有資格獲獎的。

地面上利用“凌星法”發現系外行星的代表是匈牙利主動千里鏡收集（HATNet），它于1999年啟動測試， 2001年完全運轉，至今發現的系外行星跨越了100個。

除了開普勒、TESS與HATNet這些利用“凌星法”的千里鏡之外，還有利用徑標的目的速度法的“高精度徑標的目的速度行星搜刮器”（HARPS），這是這類儀器的第二代，比昔時麥耶與奎洛茲利用的第一代搜尋儀器加倍活絡。至今為止，HARPS發現的系外行星的數量已經跨越100個。

其他多個用于探測系外行星的儀器還有多個，利用的方式除了以上的兩風雅法之外，還利用了“直接當作像法”“微引力透鏡法”，等等。此中，直接當作像法利用特制擋板遮住恒星的光，是以可以直接拍下恒星四周的行星。

用508厘米口徑的海爾（Hale）千里鏡直接拍出的環繞恒星HR 8799運轉的三個系外行星的像。恒星發出的光已經被冕儀遮擋，用綠色叉暗示 | NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory

曩昔二十多年發現的系外行星形態各別：有的是溫度跨越一千度的“熱木星”，有的近似于海王星，有的是比地球略大的巖石類行星——“超等地球”。這些系外行星中，有的與它們的母星距離很是近，僅幾天就可以公轉一圈。對這些行星的深切研究，大大推進了人類對行星系統形當作與演化機制的熟悉。那些擁有行星的恒星也形態各別，有很多是比太陽小得多、暗得多的恒星，像太陽那樣的恒星反而只占很小的比例。

人們最喜好的系外行星當然是自身近似地球且環繞在近似太陽的恒星四周的那些。搜尋這類系統，也是未來這個范疇盡力的偏向之一。

結語

本年的諾貝爾物理學獎對系外行星的兩位前驅的必定，也是對系外行星科學的一個必定。這個活躍的學科在曩昔二十多年迅猛成長，也將在將來持續成長。此刻系外行星的一些專家但愿可以或許讓未來的光譜儀探測到恒星低于每秒1米以下的活動速度。

我們但愿未來可以搜尋到距離地球足夠近的近似地球的宜居的的系外行星，固然比來的系外行星距離我們也有好幾個光年。飛標的目的宇宙深處，是人類的胡想之一。

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，祝愿瞻仰星空的讀者中有人可以或許在未來憑借本身對星空的摸索而獲得這項殊榮。

撰文 | 王善欽

作者簡介

王善欽，2018年獲得南京大學天文學博士學位，2016-2018年拜候加州大學伯克利分校，本家兒要研究超新星爆發等現象，業余也研究科學史。

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