原創(chuàng)： 滿威寧 返樸

10月8日，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半共同授予了瑞士天文學(xué)家米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）和迪迪?！た迤潱―idier Queloz），以獎(jiǎng)勵(lì)他們“發(fā)現(xiàn)了圍繞類太陽型恒星運(yùn)行的行星”。到目前為止，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量系外行星，它們有類似地球的巖石行星，也有類似木星的氣態(tài)巨行星，有些有大氣，有些可能有液態(tài)水，還有很多與我們熟知的太陽系行星非常不同。對(duì)系外行星的探索改變了人類對(duì)我們?cè)谟钪嬷兴幬恢玫恼J(rèn)知。

今天的文章是加州州立大學(xué)舊金山分校物理與天文系滿威寧教授對(duì)2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)科普的下篇，在上篇《用中學(xué)生能聽懂的語言講2019諾貝爾物理獎(jiǎng)（上）：宇宙從哪里來，到哪里去？》中，她介紹了宇宙的歷史和演化。而在這篇文章中，她將詳細(xì)介紹搜尋太陽系外行星的結(jié)果，具體方法和物理原理，繼續(xù)帶我們探索我們是誰，我們?cè)谀睦铩?/p>

撰文 | 滿威寧（加州州立大學(xué)舊金山分校物理與天文系終身教授）

又到了每年10月盡可能通俗地給大家介紹諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的時(shí)間。我希望盡量用貼近中學(xué)物理的語言，講清楚這些得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的工作做了什么，為什么要做，怎么做的，有什么結(jié)果和展望。

2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半頒給美國普林斯頓大學(xué)的詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles），“獎(jiǎng)勵(lì)他在物理宇宙學(xué)的理論發(fā)現(xiàn)”，另一半則共同授予了瑞士天文學(xué)家米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）和迪迪?！た迤潱―idier Queloz）師徒，以獎(jiǎng)勵(lì)他們“發(fā)現(xiàn)太陽系之外別的恒星的行星”。

這是非常特殊的一年，因?yàn)檫@兩項(xiàng)工作涉及的領(lǐng)域相距甚遠(yuǎn)，一個(gè)研究浩瀚宇宙的發(fā)展歷史，一個(gè)尋找太陽系外的行星，而宇宙物理學(xué)和天文物理學(xué)在業(yè)內(nèi)其實(shí)是完全不同的兩個(gè)領(lǐng)域。雖然這樣的組合十分罕見，但關(guān)于獲獎(jiǎng)原因還是可以合并在這句致辭里：以獎(jiǎng)勵(lì)他們“為人類對(duì)宇宙演化和地球在宇宙中的位置的理解做出的貢獻(xiàn)”。是的，重要的是這兩項(xiàng)工作深刻地改變了人類對(duì)世界的認(rèn)知。

莊子說，“井蛙不可以語于海者，拘于虛也；夏蟲不可以語于冰者，篤于時(shí)也?！备兄x人類兩千年科學(xué)史上那些智慧的靈魂，幫我們?cè)诙虝旱纳锌吹搅四敲催b遠(yuǎn)的過去和未來。

“我們是誰？我們從哪里來，我們要到哪里去?” 或許上一篇文章《用中學(xué)生能聽懂的語言講2019諾貝爾物理獎(jiǎng)（上）：宇宙從哪里來，到哪里去？》可以幫助你稍微了解一點(diǎn)宇宙從哪里來。

而這一篇，我們從地球出發(fā)，詳細(xì)介紹科學(xué)家們尋找太陽系外行星（Exoplanet）的具體方法，以及已經(jīng)尋找到了什么?！拔覀兪钦l，我們?cè)谀睦? ” 我們的太陽系、我們的地球是特別的嗎？是獨(dú)一無二的嗎？

在哥白尼（1473-1543）推翻地心說倡導(dǎo)日心說之后，布魯諾（1548-1600）提出太陽也不是宇宙的中心，太陽只是很多恒星中的一顆，宇宙是無限的，沒有中心。在上篇文章我們講過，銀河系是宇宙億萬個(gè)星系中很平凡的一個(gè)，而銀河系里面有上千億顆恒星，太陽只是其中的滄海一粟。

幾百年來，一些哲學(xué)家和科學(xué)家推測(cè)太陽系之外有行星存在，另一些哲學(xué)家和科學(xué)家認(rèn)為地球上適合生命的種種條件加在一起發(fā)生的概率是那么小，或許地球和太陽系真的是獨(dú)一無二的。很久以來人類沒有辦法知道，行星是不是普遍存在，別的恒星的行星與太陽系的行星相似度又如何，適合生命生存的地球又到底有多罕見。

智利帕瑞納天文臺(tái)上空的銀河照片。| 圖片來源 ：ESO/Y. Beletsky

離太陽系最近的恒星，半人馬座的比鄰星屬于一個(gè)三恒星系統(tǒng)（科幻小說《三體》里三個(gè)太陽的靈感來源），距離我們4.3光年遠(yuǎn)，這個(gè)距離光要花4.3年才能走過。人類制造的最快的飛行器旅行者一號(hào)，自1977年發(fā)射以來，早已飛出太陽系，它保持６萬１千多公里每小時(shí)的速度，都還要飛73600年才能完成4.3光年的距離。璀璨的漫天繁星距離我們實(shí)在是太遠(yuǎn)了，就算它們有行星，但行星不發(fā)光，又比恒星小得多，直接用望遠(yuǎn)鏡觀察是很難看到的。

那怎么辦呢？怎樣才能通過觀測(cè)遙遠(yuǎn)的恒星星光去找出它們附近暗藏的行星？這真是個(gè)天大的難題，人們?cè)?jīng)應(yīng)用本文后面提到的方法努力了很多年都沒有任何收獲，到了上個(gè)世紀(jì)九十年代初期，人們甚至覺得可能永遠(yuǎn)也不會(huì)找到太陽系外的行星了（不要忘了那時(shí)計(jì)算機(jī)等工具還很落后）。

當(dāng)時(shí)有一種解釋在天文學(xué)界比較有市場(chǎng)：多顆恒星通常在星云里成簇地誕生，而越靠近星云中心的恒星往往質(zhì)量越大。恒星質(zhì)量越大，引力越強(qiáng)，核聚變?cè)絼×?，壽命越短。大質(zhì)量恒星往往幾百萬年內(nèi)就幾乎耗盡，發(fā)生超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)可以把恒星的一部分質(zhì)量以十分之一光速拋出去，并發(fā)出強(qiáng)大的激波，足以撕碎和推開圍繞恒星周圍的旋轉(zhuǎn)盤內(nèi)的一切，掃蕩干凈本來有可能形成行星的物質(zhì)。而太陽誕生時(shí)可能處于團(tuán)簇的邊緣，質(zhì)量又不很大，壽命超過百億年，周圍因太陽引力圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)有足夠長的時(shí)間和機(jī)會(huì)演化成大大小小的行星。所以說有可能太陽系和行星系統(tǒng)是很罕見的。

甚至在太陽系外的行星被發(fā)現(xiàn)之后的好幾年，仍然會(huì)遭到天文界的反復(fù)質(zhì)疑，直到大量由不同觀測(cè)方法相互佐證的行星被發(fā)現(xiàn)，才得到業(yè)界認(rèn)可。而直到觀測(cè)確認(rèn)太陽系附近幾乎每個(gè)恒星都有行星，人們才徹底接受事實(shí)：我們的太陽系并不罕見，更不唯一。

本文主要給大家介紹科學(xué)家用哪些方法探測(cè)和發(fā)現(xiàn)太陽系外的行星，以及相關(guān)的物理原理。我們將詳細(xì)討論以下這些問題：

1、什么是主序星？恒星的演化和分類

2、哪些方法可以探測(cè)太陽系外行星？

3、多普勒效應(yīng)是怎么回事？

4、恒星會(huì)在行星影響下運(yùn)動(dòng)嗎？

5、如何用多普勒徑向速度法探測(cè)行星？

6、什么是探測(cè)系外行星的凌日法？

7、太陽系外行星探測(cè)的里程碑和展望

什么是主序星？恒星的演化和分類

馬約爾和奎洛茲師徒因?yàn)樵?995年發(fā)現(xiàn)了太陽系外第一顆屬于主序星（類似于太陽的恒星）的行星，而獲得2019年諾貝爾物理獎(jiǎng)的一半。

其實(shí)在1992年，波蘭天文學(xué)家亞歷山大·沃爾茲森（Aleksander Wolszczan）已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽系外的行星，不過它屬于一顆脈沖星，脈沖星與類似太陽的主序星完全不同。

在上一篇文中已經(jīng)提到，溫度越高的物體電磁波輻射的頻率越高，波長越短。太陽的輻射包括所有頻率的電磁波，因?yàn)樗砻鏈囟冉咏?000攝氏度，輻射的峰值頻率在綠光的范圍。我們習(xí)慣的白色就是從紅到紫的可見光的混合，是人類基于太陽輻射的中心頻率波段進(jìn)化出的視覺范圍。下面這張圖的縱坐標(biāo)代表恒星光度與太陽光度的比值，橫坐標(biāo)朝右代表溫度降低。

恒星的分類

我們可以通過這張圖大致了解，大小不同的主序星都嵌在圖中的主序帶中，包括右下角又小又暗、偏低溫的紅矮星，中部類似太陽的恒星，和左上角又大又亮、偏藍(lán)的更高溫的恒星。主序星的亮度和溫度有明顯的關(guān)聯(lián)，溫度越高亮度越高，顏色越藍(lán)（光譜中心頻率越高）。而右上角的紅巨星和紅超巨星體積龐大，亮度大，溫度卻偏低，所以光譜偏紅。左下角顯示的白矮星則體積非常小，亮度也小，溫度卻較高。

恒星的演化 | 圖片來源 ：wikipedia

從這個(gè)圖中可以看到不同質(zhì)量恒星可能的生命軌跡。一般恒星在其青壯年時(shí)期是主序星，比如我們現(xiàn)在的太陽。不同質(zhì)量的恒星從星云中誕生。中等質(zhì)量的恒星包括我們的太陽壽命很長，在核聚變反應(yīng)中耗盡了氫原子核以后會(huì)經(jīng)歷紅巨星，再到白矮星甚至黑矮星的過程。而大質(zhì)量的主序星隨著核聚變?cè)系南?，?huì)比較短命地離開主序星隊(duì)伍，經(jīng)過紅超巨星階段和超新星爆發(fā)，最終坍縮成黑洞或者密度極大的中子星、脈沖星。脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)的中子星，伴隨它的自轉(zhuǎn)，我們能周期性地接收到它的電磁波脈沖。

哪些方法可以探測(cè)太陽系外行星？

到目前為止，探測(cè)太陽系外行星的方法主要有: 多普勒速率法、凌日法、凌日時(shí)間變分法、直接影像法等等。其中多普勒速率法和凌日法最為有效。

另外脈沖星計(jì)時(shí)法也可以用來發(fā)現(xiàn)脈沖星的行星。通過分析脈沖星的脈沖周期的變化，可以發(fā)現(xiàn)影響它們運(yùn)動(dòng)的行星。比如1992年沃爾茲森就已經(jīng)用這個(gè)方法發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)太陽系外行星，脈沖星行星 PSR B1257+12 b，但這個(gè)方法不能用于類似太陽的主序星。

人們想知道自己在宇宙中是否孤獨(dú)，所以更渴望、更在乎尋找位于主序星的宜居帶的行星，或許這就是為什么沃爾茲森沒能共享這次的諾貝爾獎(jiǎng)。因?yàn)槊}沖星是爆發(fā)過的、塌縮后的高密度高輻射中子星，他們的周圍是超新星爆發(fā)清空的巨大空間。所以脈沖星居然有行星是非常顛覆人們的認(rèn)知的。之后沃爾茲森發(fā)現(xiàn)這顆脈沖星PSR B1257+12有好幾個(gè)行星，存在行星系，物理意義重大。脈沖星的發(fā)現(xiàn)和脈沖雙星的發(fā)現(xiàn)曾分別獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。最早發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)太陽系外行星的沃爾茲森沒能分享關(guān)于系外行星探索的諾貝爾獎(jiǎng)也是一種遺憾。

下面重點(diǎn)介紹本次獲獎(jiǎng)工作使用的多普勒徑向速率探測(cè)法，和迄今發(fā)現(xiàn)系外行星數(shù)量最多的凌日法（占總數(shù)的74%）。

多普勒效應(yīng)是什么回事？

中小學(xué)生都可以在家里用一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)來理解多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原理。準(zhǔn)備一大盆水，在水面上連續(xù)勻速地用手指敲擊，我們會(huì)得到均勻傳播開的水波紋。

靜止波源和運(yùn)動(dòng)波源對(duì)比圖：運(yùn)動(dòng)波源產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。| 圖片來源：Soundfly

而如果一邊連續(xù)敲擊水面，一邊往前移動(dòng)手指，就會(huì)發(fā)現(xiàn)水波不再均勻?qū)ΨQ地朝四周擴(kuò)散，而是波源前方的波長會(huì)被壓縮，波源后方的波長會(huì)被展寬。

換句話說，如果觀測(cè)者站在波源前進(jìn)的前方，會(huì)遭遇更密集的波峰，所觀測(cè)到的波峰與波峰之間的時(shí)間間隔（周期）更短，觀測(cè)到的頻率更高。而如果觀測(cè)者站在波源后方，波源正在遠(yuǎn)離，波長被展寬，觀測(cè)者就會(huì)遭遇更稀疏的波，觀測(cè)到的時(shí)間間隔（周期）變長，頻率變低。這就是多普勒效應(yīng)。

救護(hù)車或火車鳴著笛呼嘯而來時(shí)，我們聽到的音調(diào)更高（頻率高），一旦救護(hù)車或者火車揚(yáng)長而去時(shí)，我們聽到的鳴笛聲音就更低沉（頻率低）。

聲音的多普勒效應(yīng)。| 圖片來源：https://i.pinimg.com/originals/1c/31/2e/1c312e9f91ed8926d15c1a9824a9fa66.png

波源運(yùn)動(dòng)的速度越快，這種頻率變化效應(yīng)也就越明顯。通過比較靜止波源的頻率與探測(cè)到的頻率之間的改變，就可以計(jì)算出波源沿著觀測(cè)者的視線方向（徑向）靠近或者遠(yuǎn)離的速度。

這樣的多普勒技術(shù)被廣泛地用來測(cè)量各種尺度的物體的運(yùn)動(dòng)速度。即使這個(gè)運(yùn)動(dòng)物體本身不發(fā)射任何波，也可以通過它們反射波的多普勒頻率的改變量來測(cè)量它們的速度。比如在街頭遠(yuǎn)距離無接觸測(cè)量車速，在“彩色B超”中測(cè)量血管內(nèi)血液流速，測(cè)量臺(tái)風(fēng)中心前進(jìn)的速度和方向，這些都是利用多普勒效應(yīng)。

剛才這些解釋是利用水波或者聲波來形象地闡述多普勒原理，而類似的多普勒效應(yīng)也會(huì)在光波（電磁波）傳播時(shí)發(fā)生: 當(dāng)波源靠近的時(shí)候觀測(cè)到的頻率變高，當(dāng)波源遠(yuǎn)離的時(shí)候觀測(cè)到的頻率變低。頻率變化的程度由沿著觀測(cè)者的視線方向（徑向）的速度決定。當(dāng)光源徑向速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，這個(gè)頻率變化是極其微小和不易察覺的。比如當(dāng)光源的徑向速度是光速的千萬分之一時(shí)（30米每秒），多普勒效應(yīng)的頻率和波長分別只改變千萬分之一。

汞燈透過光柵的照片 | 圖片來源：作者

另外，原子內(nèi)部電子軌道能級(jí)的能量差是固定的，它們對(duì)應(yīng)頻率精確固定的光譜，也就是說比如氫原子在靜止時(shí)會(huì)吸收和發(fā)射什么頻率的光是固定和已知的。比如在上圖中透過一個(gè)簡(jiǎn)單的光柵看汞燈，汞原子光譜里面不同顏色（頻率）的譜線就清晰可見。

氫原子吸收譜線的多普勒移動(dòng)。| 圖片來源：LibreTexts

高溫的恒星發(fā)出所有頻率的連續(xù)光譜時(shí)，其富含的成分比如氫，會(huì)吸收掉特定頻率的一部分光。上圖中部的幾條黑線就代表氫原子靜止時(shí)的吸收光譜。當(dāng)發(fā)光天體遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，我們觀測(cè)到的那個(gè)天體的氫原子吸收光譜的頻率會(huì)因多普勒效應(yīng)而改變，這些黑線會(huì)發(fā)生朝右的紅移。當(dāng)天體朝向我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些氫原子吸收光譜的黑線會(huì)發(fā)生朝左的藍(lán)移。通過比較發(fā)光天體的光譜與靜止原子光譜之間的細(xì)微頻率差異，就可以精確計(jì)算發(fā)光天體相對(duì)觀測(cè)者（地球）的徑向運(yùn)動(dòng)速度。

另外值得一提的是，天體自身運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的被觀測(cè)頻率的多普勒改變與上一篇提到的因宇宙空間膨脹而產(chǎn)生的哈勃紅移不一樣。前者根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向可以有藍(lán)移或者紅移，后者因?yàn)橛钪婵臻g本身的膨脹而只有紅移。

恒星會(huì)在行星影響下運(yùn)動(dòng)嗎？

太陽系所有的行星加起來，也只相當(dāng)于太陽質(zhì)量的千分之一點(diǎn)四。所以太陽系的行星圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，我們似乎總覺得太陽是個(gè)不動(dòng)的“中心”，是不受行星運(yùn)動(dòng)影響的。

而事實(shí)上，行星運(yùn)動(dòng)可能對(duì)恒星產(chǎn)生什么樣的影響呢？

根據(jù)牛頓第三定律，兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力大小相等、方向相反，而且這樣的內(nèi)部力量不會(huì)影響這個(gè)系統(tǒng)整體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)。因此，由于慣性，如果沒有外力的干擾，旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)會(huì)圍繞系統(tǒng)的質(zhì)心一直旋轉(zhuǎn)，而質(zhì)心不動(dòng)。

當(dāng)兩個(gè)球相隔一定的距離，如果這兩個(gè)球質(zhì)量相等，它們的質(zhì)心在兩個(gè)球心連線的中點(diǎn)。如果其中一個(gè)球比另外一個(gè)球重，質(zhì)心就向重的那個(gè)球偏移。兩個(gè)球都圍繞這個(gè)共同的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，周期相同。天體里的雙星系統(tǒng)（很近的兩個(gè)恒星）通常會(huì)這樣運(yùn)動(dòng)。

雙球系統(tǒng)的圓軌道和橢圓軌道。| 圖片來源：Ohio State Univ.

而當(dāng)其中一個(gè)質(zhì)量比另一個(gè)大得多的時(shí)候，系統(tǒng)的質(zhì)心會(huì)進(jìn)入到大球內(nèi)部，大球圍繞質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)幅度和速度會(huì)比小球的小很多。

較小物體（如太陽系外行星）與較大物體（如恒星）同周期地圍繞它們共同的質(zhì)心（紅色十字）旋轉(zhuǎn)。| 圖片來源：Wikipedia

極端情況下當(dāng)其中一個(gè)球的質(zhì)量相對(duì)另一個(gè)來說是九牛一毛、微乎其微的時(shí)候，整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)心緊挨著大球的中心。兩個(gè)球圍繞系統(tǒng)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)時(shí)，看起來是小球在圍繞大球中心轉(zhuǎn)，大球好像沒動(dòng)。我們熟知的太陽與它的行星看起來就像這樣。

事實(shí)上，不僅僅是大球?qū)π∏虻奈∏蛟谵D(zhuǎn)圈，小球?qū)Υ笄蛴型瑯哟蟮奈?，也?huì)拉著大球轉(zhuǎn)圈，只是大球旋轉(zhuǎn)的幅度和速度要小很多。僅僅通過牛頓第三定律或者說動(dòng)量守恒定律，就可以推導(dǎo)出，因?yàn)樘栙|(zhì)量是木星質(zhì)量的1047倍，木星導(dǎo)致的太陽旋轉(zhuǎn)的速度是木星公轉(zhuǎn)軌道速度的1/1047，也就是大約每秒13米。而地球公轉(zhuǎn)對(duì)太陽產(chǎn)生的速度影響只有9厘米每秒。

如何用多普勒徑向速度法探測(cè)行星？

左圖：恒星在行星的引力作用下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，觀測(cè)者在圖中下方，視線方向的徑向速度分量導(dǎo)致光譜頻率周期性地增加或減少。右圖：太陽在木星影響下（黑線）和土星影響下（紅線）的徑向運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化，以及考慮測(cè)量誤差噪音時(shí)可能的波動(dòng)（黑點(diǎn)）。| 圖片來源：Addison Wesley, Debra Fischer

徑向速度是物體運(yùn)動(dòng)速度在觀察者視線方向的分量，如果恒星在行星的影響下轉(zhuǎn)圈，徑向速度會(huì)在行星公轉(zhuǎn)的四分之一個(gè)周期內(nèi)從零變到最大值，類似圓周運(yùn)動(dòng)在某個(gè)方向的投影，速度是時(shí)間的正弦函數(shù)，導(dǎo)致該恒星被觀測(cè)到的光譜產(chǎn)生周期性的多普勒紅移和藍(lán)移。也就是說，如果發(fā)現(xiàn)有恒星的光譜存在周期性的頻率變高又變低的多普勒移動(dòng)，就意味著它們時(shí)而朝向我們、時(shí)而遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)，如果排除有緊鄰的恒星或矮褐星構(gòu)成雙星系統(tǒng)，那這就可能是一個(gè)行星的影響。

試想一下，如果外星系的人想通過觀測(cè)太陽來找太陽系的行星，他們可以觀測(cè)太陽光譜頻率隨時(shí)間的變化來判斷太陽有沒有因?yàn)樾行嵌》D(zhuǎn)動(dòng)，以及計(jì)算徑向速度，但這真是太不容易。即使他們的視線正好平行木星公轉(zhuǎn)的平面，最多也只能探測(cè)到太陽13米每秒的徑向速度產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，這么微小的變化還是在漫長的木星年才能完成一個(gè)周期，也就是11.9個(gè)地球年（如上圖）。外星人用這樣的方法來找地球（探測(cè)地球影響太陽每秒9厘米的運(yùn)動(dòng)速度）就更難上加難了。

在1995年以前人們?cè)谶@方面的努力一直沒有收獲，希望看起來很渺茫，到底能不能通過多普勒效應(yīng)探測(cè)到恒星-行星系統(tǒng)中恒星微弱的相對(duì)運(yùn)動(dòng)？

飛馬座（Pegasus）在秋季北方的天空比較明顯，包括一個(gè)近乎正方形的大四邊形。Pegasus 51是被紅圈標(biāo)識(shí)的這顆從地球上肉眼可見的恒星。| 圖片來源：Wikimedia Commons

馬約爾和奎洛茲構(gòu)建了一種新型光譜儀同時(shí)測(cè)量142顆恒星的光譜，終于在1995年發(fā)現(xiàn)，飛馬座的一顆編號(hào)為51的恒星（Pegasus 51）的光譜頻率周期性變化。通過分析恒星光譜頻率隨時(shí)間的變化，人們可以計(jì)算出它的徑向速度隨時(shí)間的變化，擬合相應(yīng)的正弦時(shí)間函數(shù)，從而計(jì)算它圍繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的周期，模擬描述它的軌道，并推算出影響它如此運(yùn)動(dòng)的天體的質(zhì)量范圍和距離范圍等信息。很快人們證實(shí)，這不是一個(gè)雙星系統(tǒng)，而是一個(gè)質(zhì)量至少是地球150倍的類似木星的行星，這顆行星依隨它的母星被命名為飛馬座 51b。

令人驚訝的是這顆巨大的行星離母星飛馬座51恒星特別近（相當(dāng)于地球到太陽距離的5%），根據(jù)中學(xué)物理課提到的開普勒定律，行星軌道半徑越小，公轉(zhuǎn)角速度越快，周期越短。它公轉(zhuǎn)一圈只需要四個(gè)地球日。這一發(fā)現(xiàn)也改變了人們對(duì)行星形成和分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)：原來在離恒星這么近的地方可以有類似木星的巨行星。不像在太陽系內(nèi)，四顆巖石行星——水星、金星、地球和火星都比較小，且離太陽比較近；而氣態(tài)巨行星如木星、土星都離太陽很遠(yuǎn)，溫度足夠低，它們的行星核的引力才可以像滾雪球一樣俘獲周圍的氫和氦，形成巨行星。而且因?yàn)榫嚯x太近，飛馬座51b面對(duì)母星那一面的溫度可以高達(dá)上千度。此后人們還發(fā)現(xiàn)了很多類似的靠近恒星的巨大“熱木星“, 并看到它們往往一直在“蒸發(fā)”。

圖為觀測(cè)到的行星飛馬座51b以及擬合的正弦時(shí)間函數(shù)。 | 圖片來源：[5]

飛馬座51b的發(fā)現(xiàn)是天文學(xué)的一座里程碑。此后大量的天文望遠(yuǎn)鏡被投入到運(yùn)用多普勒徑向速度法尋找太陽系外行星的工作中。2003年開始投入使用的高精度徑向速度行星搜索器（High Accuracy Radial velocity Planet Searcher, HARPS）甚至能夠分辨恒星1米每秒的速度所引起的多普勒頻率改變。

1996年2月時(shí)代雜志封面。 | 圖片來源：Time

多普勒徑向速度法適合各種各樣的恒星，不限于主序星。這種方法顯然對(duì)發(fā)現(xiàn)公轉(zhuǎn)速度比較快、周期比較短，而且質(zhì)量比較大的行星最有效。如果恒星有多個(gè)行星，其中質(zhì)量偏小、距離偏遠(yuǎn)的那些，對(duì)恒星運(yùn)動(dòng)的影響十分微弱，比較難用這個(gè)方法分辨。另外，即使地球的視線方向并不與行星公轉(zhuǎn)的平面平行，這個(gè)方法仍然有效。只不過，多普勒效應(yīng)只能探測(cè)光源在徑向（地球的視線方向）的速度，當(dāng)恒星和行星軌道平面與地球視線夾角太大，恒星徑向速度會(huì)比實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度小很多，以此估算的行星質(zhì)量就會(huì)遠(yuǎn)小于實(shí)際質(zhì)量。

什么是探測(cè)系外行星的凌日法？

這是作者本人在2012年6月6日拍攝的太陽投影的照片，圖中除了較小較淺的太陽黑子，還有一個(gè)明顯的黑圓斑。那是金星凌日，也就是金星擋在了太陽與地球之間。不像月亮遮擋太陽的時(shí)候會(huì)發(fā)生陽光大受影響的日食，由于金星距離地球很遠(yuǎn)，金星凌日只能擋住一點(diǎn)點(diǎn)陽光，好像給太陽長顆小“痣”。

令人贊嘆的是，凌日法系外行星探測(cè)真就是靠探測(cè)這一點(diǎn)點(diǎn)被行星擋住的星光！

太陽系外的行星因?yàn)樘h(yuǎn)太小， 極難直接被望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到，但我們可以一直監(jiān)測(cè)太陽系外恒星的亮度。如果有行星圍繞那個(gè)恒星周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，就可能會(huì)周期性地?fù)踉谖覀兒湍穷w恒星之間，從而略微減弱我們觀測(cè)到的那個(gè)恒星的亮度。

凌日法恒星亮度隨時(shí)間的變化示意圖。 | 圖片來源：How Do You Find an Exoplanet by John Johnson

我們觀測(cè)到的恒星亮度會(huì)隨時(shí)間的變化分為幾個(gè)階段: 恒星亮度不受影響的時(shí)間段，恒星亮度從開始變暗（開始被遮擋）到最暗（最多遮擋）的過程，以及維持最暗（最多遮擋）的時(shí)間段，還有從開始恢復(fù)到恢復(fù)最亮的時(shí)間段，再經(jīng)歷保持最亮的時(shí)間段。通過仔細(xì)地計(jì)算和比較不同時(shí)間段的時(shí)長，可以計(jì)算出這個(gè)行星公轉(zhuǎn)一周的周期、大致尺寸、與恒星的大致距離等等。

這個(gè)方法當(dāng)然也極不容易，比如說地球的尺寸僅僅能擋住十萬分之八的太陽光。通過不懈的努力，科學(xué)家們?cè)谶^去二十年里用這種方法找到了幾千顆系外行星，其中在2009年專為搜尋太陽系外行星發(fā)射的開普勒天文望遠(yuǎn)鏡功不可沒。

凌日法還有可能通過微弱的光譜變化探測(cè)行星是否有大氣層，以及大氣層有什么化學(xué)成分。若將多普勒徑向速度法和凌日法配合使用，互相驗(yàn)證則能獲取更多的信息。比如多普勒徑向速度法可以用來估算行星質(zhì)量，而凌日法能提供尺寸，于是我們能估算行星的密度，判斷它們的種類。凌日法的局限在于，如果行星公轉(zhuǎn)的平面與地球的視線的夾角大一點(diǎn)，行星就不能遮擋住星光。

而凌日時(shí)間變分法改進(jìn)了凌日法，以研究多個(gè)行星同時(shí)凌日的情況，幫助我們確認(rèn)了不少擁有不止一個(gè)行星的行星系，其中不乏與太陽系行星偏心率很不相同的例子。

太陽系外行星探測(cè)的里程碑和展望

當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)人類現(xiàn)有的技術(shù)可以探測(cè)和證實(shí)太陽系外行星的存在時(shí)，系外行星的搜尋工作便成為最近二十年天文學(xué)最熱門的領(lǐng)域。人們更感興趣的是距離恒星不那么近、溫度不那么高、能有液態(tài)水存在的宜居帶（habitable zone）的行星。

隨著母星溫度和亮度的增加，行星可能的宜居帶與母星的距離也增加。| 圖片來源：wikipedia

1992年，第一顆太陽系外行星被發(fā)現(xiàn)。

1995年，第一顆屬于主序星的系外行星被發(fā)現(xiàn)。

1996年，筆者現(xiàn)在工作的加州州立大學(xué)舊金山分校（San Francisco State University）物理與天文系教授杰弗瑞·馬西（Jeffery Marcy）帶領(lǐng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)了第一顆圍繞主序星運(yùn)轉(zhuǎn)的長周期行星——大熊座47b，它的公轉(zhuǎn)周期是一千零九十多個(gè)地球日。

1999年，馬西等人發(fā)現(xiàn)第一個(gè)類似太陽系的行星系——仙女座天大將軍6具有多個(gè)行星。

1999年，人們首次用凌日法發(fā)現(xiàn)了一顆系外行星 HD 209458 b。

2007年，馬約爾參與發(fā)現(xiàn)了第一顆被認(rèn)為是有可能適合生命存活的行星——格利澤 581c（Gliese 581 c），它距離地球約20.5光年，離它的母星（位于天秤座的格利澤581紅矮星）很近，公轉(zhuǎn)一周只要13天，但由于母星是紅矮星，該行星的地表平均溫度約在攝氏0至40度之間，可能存在液態(tài)水。它的質(zhì)量至少是地球的5.5倍，一度被稱為超級(jí)地球。

此后為了嚴(yán)謹(jǐn)起見，天文學(xué)界輕易不提類地行星的說法，盡量只說類地尺寸行星或者宜居帶行星（代表平均溫度可能在零下幾十到零上幾十度）。因?yàn)榈厍虺藴囟冗m宜，還有很多其他利于生命生存的特別之處（大氣層、磁場(chǎng)、月亮、潮汐、公轉(zhuǎn)周期、有木星在外圍等等）。宜居帶行星不一定具有類似的特點(diǎn)。

2009年，馬約爾還參與發(fā)現(xiàn)了目前主序星行星中最小的一個(gè)——格利澤 581e。它的質(zhì)量約是地球的1.9倍，但與母星距離只有地日距離的百分之三，所以太熱。

保守估計(jì)的宜居帶范圍、廣義的宜居帶范圍，以及一些行星代表?？v軸是母星的溫度，橫軸是行星得到的照度與地球得到的照度比。| 圖片來源：Penn. State Univ.

此后更多廣義的宜居帶行星被發(fā)現(xiàn)，包括TRAPPIST-1d、Kepler-186f，還有離我們最近的鄰居比鄰星的行星 Proxima Centauri b，它的平均溫度大約是零下四十度。

在開普勒天文望遠(yuǎn)鏡退役之后。2018年四月發(fā)射的凌日系外行星巡天衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）已經(jīng)開始搜尋地球附近300光年內(nèi)的恒星的行星。

目前發(fā)現(xiàn)的系外行星的質(zhì)量（左）與半徑（右）隨公轉(zhuǎn)周期（橫坐標(biāo)）的變化與地球（綠星）之間的比較。| 圖片來源：Debra Fischer & John Brewer.

大部分已發(fā)現(xiàn)的系外行星尺寸都比較大，公轉(zhuǎn)周期都比較短（離母星比較近），還沒有跟地球的質(zhì)量、尺寸和公轉(zhuǎn)周期（日地距離）類似的行星被發(fā)現(xiàn)。因?yàn)榈厍蜻@么小，地球能夠遮擋的太陽光只有十萬分之八；而且地球距離太陽這么遠(yuǎn)，地球引力影響太陽運(yùn)動(dòng)的徑向速度只有9厘米每秒，目前的探測(cè)精度還不足以分辨地球這樣的行星。

但是借助日新月異的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力和精密光譜學(xué)的發(fā)展（諸如激光頻率梳技術(shù)的應(yīng)用）等，用多普勒徑向速度法分辨0.1 米每秒的恒星速度，會(huì)在不遠(yuǎn)的將來成為可能，使得類似地球尺寸和周期的行星也可能被發(fā)現(xiàn)。

結(jié)束語

1992年脈沖星行星PSR B1257+12B的發(fā)現(xiàn)和1995年飛馬座51b的發(fā)現(xiàn)都是天文學(xué)上的重要里程碑，開啟了成功搜尋系外行星的時(shí)代，也使科學(xué)家認(rèn)識(shí)到行星可以與我們熟知的太陽系行星非常不同。經(jīng)過眾多科學(xué)家二十多年的努力，不斷改進(jìn)測(cè)量和計(jì)算的精度，依靠大浪淘沙般的數(shù)據(jù)搜索，截至2018年10月8日，已經(jīng)被確認(rèn)的系外行星總共有3869顆，開普勒任務(wù)已經(jīng)檢測(cè)到18000顆行星候選者，包括262顆位于潛在宜居帶的候選者。它們既有類地巖石行星，也有類似木星的巨行星，有些有大氣，有些可能有液態(tài)水。這些行星不管是尺寸、位置，還是軌道偏心率等，與我們熟知的太陽系行星有相似的，也有很不同的，這迫使天文學(xué)家擴(kuò)展行星分類，重新審視行星形成的條件和過程。

銀河系保守估計(jì)有幾千億顆行星，銀河系只是茫茫宇宙的滄海一粟，系外行星的廣泛程度深刻地改變了人類對(duì)我們?cè)谟钪嬷兴幍奈恢玫恼J(rèn)知，以及人類對(duì)我們的星球是否特別的判斷。特別是連脈沖星都有行星和行星系的存在，向人們揭示行星的形成或許遠(yuǎn)沒有以前猜測(cè)得那么困難和罕見。人們對(duì)太陽系外生物存在的幾率的判斷也發(fā)生了本質(zhì)的變化。

總之，今年兩個(gè)看似相隔遙遠(yuǎn)的獲獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)域還是有共同點(diǎn)的：第一部分皮布爾斯關(guān)于早期宇宙演化的工作科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亟沂玖宋覀儯ㄓ钪妫哪睦飦?。而第二部分?duì)太陽系外行星的探索進(jìn)一步明確了我們到底在哪里。它們改變了我們?nèi)祟悓?duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，對(duì)地球在宇宙中地位的認(rèn)識(shí)，對(duì)整個(gè)人類和整個(gè)人類世界觀的影響都是深遠(yuǎn)的。

吾生也有涯，而知也無涯。還是感謝那些有智慧又勤奮的靈魂讓生命短暫的我們也可以了解那么遙遠(yuǎn)的空間和那么遙遠(yuǎn)的過去，并預(yù)測(cè)遙遠(yuǎn)的未來。仰望浩瀚的宇宙，越發(fā)能體會(huì)人類的渺小，并震撼于科學(xué)的偉大。

希望這篇科普文能夠幫助不具備專業(yè)知識(shí)的人們，稍微了解一些物理學(xué)的廣度、深度和物理學(xué)的美。大到宇宙，小到原子核，萬物皆有理，祝愿大家能理解物理，愛上物理，享受物理的美。

作者介紹

滿威寧，博士，本科畢業(yè)于吉林大學(xué)少年班，博士畢業(yè)于普林斯頓大學(xué)物理系，在普林斯頓大學(xué)和紐約大學(xué)從事博士后工作?，F(xiàn)任加州州立大學(xué)舊金山分校物理與天文系終身教授，她帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)從事軟凝聚態(tài)物理、無序材料、準(zhǔn)晶、光子能隙及非線性光學(xué)的研究。歡迎關(guān)注她的個(gè)人科普微信公眾號(hào)mv0 (數(shù)字零）。

致謝: 感謝作者的前同事現(xiàn)耶魯大學(xué)的 Debra Fisher 教授和現(xiàn)在的同事John Brewer教授跟作者的有益討論和提供部分圖片。

參考資料

[1] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/press-release/

[2] https://www.quantamagazine.org/nobel-prize-in-physics-to-james-peebles-michel-mayor-and-didier-queloz-20191008/

[3] How Do You Find an Exoplanet by John Johnson, Princeton University Press

[4] Wolszczan, A.; Frail, D. "A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 + 12". Nature. 355 (6356): 145–147. (1992)

[5] Nature, Volume 378, Issue 6555, pp. 355-359 (1995)

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原標(biāo)題：《用中學(xué)生能聽懂的語言講2019諾貝爾物理獎(jiǎng)（下）：太陽系外行星的探索 | 眾妙之門》

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