一颗肉眼能看到的星星，怎就引出了一个诺贝尔物理学奖？

麦耶与奎洛兹的工作初次证实了“径标的目的速度法”是可以用来搜寻系外行星的。

海说神聊京时候2019年10月8日晚间，2019年度的诺贝尔物理学奖发布。本年的物理诺奖被分为两部门：闻名宇宙学家吉姆·皮伯斯（James Peebles，1935-）获得此中一半；闻名“系外行星”专家米歇尔·麦耶（Michel Mayor，1942-）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz，1966-）分享别的一半。

2019年诺贝尔物理学奖得本家儿 | 诺奖官网

这个动静出来后，良多天文圈子里的人感觉有些惊奇，因为宇宙学和系外行星是两个很不不异的范畴。不外，我们可以这么想：宇宙学告诉我们从哪里来，系外行星科学告诉我们可以到哪里去：今后地球不顺应保存了，就可以考虑搬到“太阳系外的行星”——“系外行星”——上去。

麦耶与奎洛兹获奖的原因是：他们发现天上的一颗星星在摆动，然后按照摆动的速度巨细确定出这颗星星四周有一颗近似于木星的行星在绕着这颗星动弹——就像我们的地球绕着太阳动弹。

让麦耶与奎洛兹获得诺贝尔奖的那颗星星，名为“飞马座51”（51 Pegasi），在天空中位于仙女座（Andromeda）下方的飞马座（Pegasus）里。它距离地球51光年，意味着以每秒30万千米的速度跑，需要跑51年才可以达到这颗星。

“飞马座51”是5等星。人眼可以或许看到的最暗星是6等星，5等星的亮度是6等星的2.5倍。所以你只要在一个晴朗的秋季夜晚，到一个没有灯光污染的处所，不借助千里镜就可以看到飞马座与仙女座的4颗敞亮星星组成的一个四边形，四边形右边那颗细姨星就是那颗让人拿到诺贝尔奖的星星——飞马座51，它也可以用肉眼看到。这并不是我在想当然：中国前人称飞马座51为“室宿增一”，他们那时辰可没有千里镜。

图中红圈内部的黑点就是飞马座51，旁边所有光点也都是恒星 | Wikipedia

想想看，你在恰当的前提下昂首就可以用肉眼看到的这颗星星，居然也有一个近似于木星的行星绕着它转，这是不是很神奇？它居然可以让人拿到诺贝尔奖，是不是很冲动？

在感应神奇与冲动之后，你也许也想知道，为什么麦耶与奎洛兹看星星看出了个诺贝尔奖？他们给出那个成果的道理是什么？他们发现的这颗行星是人类发现的第一颗系外行星吗？还有几多与这个话题有关的奥秘？

系外行星的早期摸索

人类早已从哲学或者宗教角度猜测宇宙中有大量近似于地球与太阳的系统，那时日心说尚未正式成立，地球被视为中间，太阳被视为绕着地球运转的一颗火球。宗教徒与哲学家猜测宇宙中有良多“宿世界”，每个宿世界都有太阳绕着它们转。

在哥白尼（Nikolaj Kopernik，1473-1543）系统成立日心说之后，第一个从科学角度猜测有“太阳系外的行星”的学者是布鲁诺（Giordano Bruno，1548-1600）。他于1584年提出：天上的那些根基不动的星星——“恒星”——都是近似于太阳的天体，它们四周也有近似于地球的行星环绕它们动弹，这些行星天然就是太阳系外的行星，简称“系外行星”。

环绕恒星运转的行星，反射恒星光，我们可以看到太阳系内的行星，就是因为它们反射了太阳光。若是一颗遥远的恒星四周有行星，它反射恒星的光，我们似乎可以看到它们。

但现实上，要看到恒星四周的行星，长短常坚苦的，因为行星反射的光远远暗于恒星自身发出的光，就像在几万千米之外看萤火虫在熊熊猛火旁边飘动，我们即利用千里镜看到了火堆，也很难看到萤火虫。这使得人类持久以来无法搜寻到系外行星。

捕猎系外行星：不雅测恒星颜色与亮度的转变

1952年，闻名的恒星物理学家奥托·斯特鲁维（Otto Struve，1897 -1963）初次建议：气态巨行星会拽动恒星，使其颜色发生有纪律的转变，可以据此计较出恒星朝着我们地球的活动速度——径标的目的速度；并且气态巨行星可能会有纪律地遮挡一部门传布到地球上的恒星光。斯特鲁维认为，可以用上面的两个效应来判定远处恒星四周是否有行星。斯特鲁维的两个设法有何依据？

起首，行星环绕恒星活动时，恒星自身其实也在动，只是因为恒星质量比行星大得多，是以活动不较着，我们就忽略恒星的活动了。但在某些环境下，这样的活动是不成忽略的。好比，当行星质量很大而恒星质量比力小的时辰，恒星的活动就比力显著，较着地与行星绕着配合的中间扭转。

恒星会拽动行星，行星也会拽动恒星，二者绕着一个配合的点（质心）公转 | Wikipedia

恒星自身在发光，它们自身的这种活动，会引起恒星发出的光“变色”：当恒星朝着我们的偏向活动时，光会变得偏蓝；当这个恒星远离我们活动时，光会变得偏红。这就是光的“多普勒效应”。按照这个效应的显著水平，可以计较响应的活动速度的巨细。这就是探测系外行星的“径标的目的速度法”。

径标的目的速度法的道理：恒星被行星的引力拽动，绕着一个固心猿意马点扭转，时而远离我们，时而接近我们，它们发出的光时而偏蓝，时而偏红，轮回来去。| homepage.divms.uiowa.edu

至于行星遮挡恒星的一部门光，这是很轻易理解的。好比我们熟悉的日食，就是因为月球刚好挡在了地球与太阳的中心，把一部门甚至全数阳光遮盖住所导致的；水星或者金星有时辰也会刚好挡在地球与太阳之间，在太阳的圆面上形当作小小的黑点，这就是“水星凌日”现象与“金星凌日”现象。

同样事理，若是一颗系外行星在环绕它的母星活动的时辰会“周期性地”挡在恒星与地球之间，就形当作了“凌星”现象。固然看不到那颗恒星上呈现的黑点，但依然可以用紧密的仪器测出恒星亮度变暗的水平。这就是探测系外行星的“凌星法”。

凌星法的道理：行星遮挡恒星发标的目的地球的光，导致恒星亮度降低 | https://www.google.com/amp/s/platomission.com/2018/05/21/the-transit-method/amp/

石破天惊：初次探测到环绕另一个太阳的行星

1995年，麦耶与奎洛兹在《天然》（Nature）杂志颁发了一篇论文，他们颁布发表，经由过程对曩昔15年的持续不雅测获得的数据进行阐发，他们发现了一些恒星的颜色呈现有纪律的转变，据此可以揣度出它们在反复摆动。

那一年，麦耶53岁；奎洛兹29岁，是麦耶指导的博士研究生。麦耶早在此前十几年就已经在法国普罗旺斯天文台设立了千里镜与分化星光的光谱仪，持续不雅测并改良数据处置手艺，终于可以探测到十几米以内的恒星摆动速度导致的光的“变色”。

麦耶与奎洛兹颁发在《天然》（Nature）的论文的一部门内容

在他们不雅测的那些恒星中，有一个被定名为“51 Pegasi”的恒星，表示出了最确定的摆动特征，速度最大时大约是50米每秒，每隔4.23天反复一次转变。这意味着这颗恒星四周确实存在一颗行星，它每4.23天转一圈。他们将这个行星称为“飞马51 b”（“51 Pegasi b”）。此后，在恒星名称后面加b、c、d……来定名恒星四周的行星，当作为传播至今的老例。

麦耶与奎洛兹在论文中给出的恒星的摆动速度图，有纪律的摆动，证实这颗恒星四周存在一颗行星

按照麦耶与奎洛兹的阐发与计较，这颗行星的质量至少是我们太阳系内的木星的0.47倍，它所环绕的那颗恒星是一颗近似于太阳的恒星。这颗行星与恒星的距离大约是800万千米，大约是太阳与地球距离的0.05倍。

但这并不是第一颗被发现的系外行星。1992年，就已经有人初次发现了系外行星，独特的是，这颗系外行星环绕编号为“PSR B1257+12”的中子星活动。中子星的质量和太阳差不多，但半径只有太阳的7万分之一，巨细只是一个小城市的巨细，亮度远低于太阳。我们可以求出糊口在这样一颗行星上的人（若是有的话）在昂首看天空中的中子星时的心理暗影面积。

麦耶与奎洛兹所发现的系外行星是环绕一颗近似于太阳的恒星运转的系外行星，这也是人类发现的第一颗环绕“类太阳”恒星运转的行星。说飞马座51这颗星近似太阳，到底有多近似呢？它的质量是太阳的1.11倍，半径是太阳的1.24倍，亮度是太阳的1.36倍，温度与太阳温度几乎完全相等，春秋大约是61-81亿年，是太阳的1.32到1.76倍。

固然环绕飞马座51公转的行星是一个气态巨行星，而不是地球这样的岩石行星，麦耶与奎洛兹走出的这一步依然是一个庞大的飞跃。

更主要的是，麦耶与奎洛兹的工作初次证实“径标的目的速度法”是可以用来搜寻系外行星的。此后一向到此刻，从“变色龙”恒星的变色纪律揣度出速度，进而推算出系外行星的质量的方式（径标的目的速度法）就一向是搜寻或交叉验证系外行星的主要方式。这就是麦耶与奎洛兹有资格获得诺奖的原因。

系外行星科学：一门敏捷成长的学科

此次麦耶与奎洛兹获奖，良多人并不料外——固然感觉与宇宙学家放一路领奖有些奇异，因为系外行星科学在曩昔20多年获得了迅猛的成长，当作为天文范畴的超等新贵。

在麦耶与奎洛兹之后，更多系外行星被发现。出格是2009年开普勒（Kepler）太空千里镜升空并运行之后，被发现的系外行星的数目蓦地增加：在开普勒近10年的运行期内，它用“凌星法”发现了几千颗系外行星，此中有一些是比地球略大的岩石行星。这些都大大促进了系外行星的研究。截至2019年10月9日，开普勒千里镜共发现2734 个最终被确认的系外行星，别的还发现了3312个系外行星候选体。被确认的系外行星个数还在不竭转变，因为后面会有更多候选体被确定为真正的系外行星。

开普勒千里镜于2018年10月30日退役后，“凌星系外行星巡天卫星”（TESS）刚好在不久后升空入轨，开展使命。TESS至今为止已经发现了29颗系外行星，并发现了794颗系外行星候选体。未来这些候选体中的一部门会被证实是真正的系外行星。若是未来系外行星范畴还会获得诺奖，开普勒千里镜的本家儿要负责人是有资格获奖的。

地面上利用“凌星法”发现系外行星的代表是匈牙利主动千里镜收集（HATNet），它于1999年启动测试， 2001年完全运转，至今发现的系外行星跨越了100个。

除了开普勒、TESS与HATNet这些利用“凌星法”的千里镜之外，还有利用径标的目的速度法的“高精度径标的目的速度行星搜刮器”（HARPS），这是这类仪器的第二代，比昔时麦耶与奎洛兹利用的第一代搜寻仪器加倍活络。至今为止，HARPS发现的系外行星的数量已经跨越100个。

其他多个用于探测系外行星的仪器还有多个，利用的方式除了以上的两风雅法之外，还利用了“直接当作像法”“微引力透镜法”，等等。此中，直接当作像法利用特制挡板遮住恒星的光，是以可以直接拍下恒星四周的行星。

用508厘米口径的海尔（Hale）千里镜直接拍出的环绕恒星HR 8799运转的三个系外行星的像。恒星发出的光已经被冕仪遮挡，用绿色叉暗示 | NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory

曩昔二十多年发现的系外行星形态各别：有的是温度跨越一千度的“热木星”，有的近似于海王星，有的是比地球略大的岩石类行星——“超等地球”。这些系外行星中，有的与它们的母星距离很是近，仅几天就可以公转一圈。对这些行星的深切研究，大大推进了人类对行星系统形当作与演化机制的熟悉。那些拥有行星的恒星也形态各别，有很多是比太阳小得多、暗得多的恒星，像太阳那样的恒星反而只占很小的比例。

人们最喜好的系外行星当然是自身近似地球且环绕在近似太阳的恒星四周的那些。搜寻这类系统，也是未来这个范畴尽力的偏向之一。

结语

本年的诺贝尔物理学奖对系外行星的两位前驱的必定，也是对系外行星科学的一个必定。这个活跃的学科在曩昔二十多年迅猛成长，也将在将来持续成长。此刻系外行星的一些专家但愿可以或许让未来的光谱仪探测到恒星低于每秒1米以下的活动速度。

我们但愿未来可以搜寻到距离地球足够近的近似地球的宜居的的系外行星，固然比来的系外行星距离我们也有好几个光年。飞标的目的宇宙深处，是人类的胡想之一。

祝贺麦耶与奎洛兹（以及皮伯斯），祝贺所有从事行星科学研究的天文学家，也祝贺又斩获诺奖的整个天文学界。最后，祝愿瞻仰星空的读者中有人可以或许在未来凭借本身对星空的摸索而获得这项殊荣。

撰文 | 王善钦

作者简介

王善钦，2018年获得南京大学天文学博士学位，2016-2018年拜候加州大学伯克利分校，本家儿要研究超新星爆发等现象，业余也研究科学史。

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