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
台灣時間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
這個消息出來後，很多天文圈子裡的人覺得有些驚訝，因為宇宙學和系外行星是兩個很不相同的領域。不過，我們可以這麽想：宇宙學告訴我們從哪裡來，系外行星科學告訴我們可以到哪裡去：以後地球不適應生存了，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：他們發現天上的一顆星星在擺動，然後根據擺動的速度大小確定出這顆星星周圍有一顆類似於木星的行星在繞著這顆星轉動——就像我們的地球繞著太陽轉動。
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），在天空中位於仙女座（Andromeda）下方的飛馬座（Pegasus）裡。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，到一個沒有燈光汙染的地方，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。這並不是我在想當然：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。
圖中紅圈內部的黑點就是飛馬座51，旁邊所有光點也都是恆星 | Wikipedia
想想看，你在適當的條件下抬頭就可以用肉眼看到的這顆星星，居然也有一個類似於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，是不是很激動？
在感到神奇與激動之後，你也許也想知道，為什麽麥耶與奎洛茲看星星看出了個諾貝爾獎？他們給出那個結果的原理是什麽？他們發現的這顆行星是人類發現的第一顆系外行星嗎？還有多少與這個話題有關的秘密？
系外行星的早期探索
人類早已從哲學或者宗教角度猜測宇宙中有大量類似於地球與太陽的系統，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。
在哥白尼（Nikolaj Kopernik，1473-1543）系統建立日心說之後，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）。他於1584年提出：天上的那些基本不動的星星——“恆星”——都是類似於太陽的天體，它們周圍也有類似於地球的行星圍繞它們轉動，這些行星自然就是太陽系外的行星，簡稱“系外行星”。
圍繞恆星運轉的行星，反射恆星光，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。如果一顆遙遠的恆星周圍有行星，它反射恆星的光，我們似乎可以看到它們。
但實際上，要看到恆星附近的行星，是非常困難的，因為行星反射的光遠遠暗於恆星自身發出的光，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。
捕獵系外行星：觀測恆星顏色與亮度的變化
1952年，著名的恆星物理學家奧托·斯特魯維（Otto Struve，1897 -1963）首次建議：氣態巨行星會拽動恆星，使其顏色發生有規律的變化，可以據此計算出恆星朝著我們地球的運動速度——徑向速度；而且氣態巨行星可能會有規律地遮擋一部分傳播到地球上的恆星光。斯特魯維認為，可以用上面的兩個效應來判斷遠處恆星周圍是否有行星。斯特魯維的兩個想法有何依據？
首先，行星圍繞恆星運動時，恆星自身其實也在動，只是因為恆星質量比行星大得多，因此運動不明顯，我們就忽略恆星的運動了。但在某些情況下，這樣的運動是不可忽略的。比如，當行星質量很大而恆星質量比較小的時候，恆星的運動就比較顯著，明顯地與行星繞著共同的中心旋轉。
恆星會拽動行星，行星也會拽動恆星，二者繞著一個共同的點（質心）公轉 | Wikipedia
恆星自身在發光，它們自身的這種運動，會引起恆星發出的光“變色”：當恆星朝著我們的方向運動時，光會變得偏藍；當這個恆星遠離我們運動時，光會變得偏紅。這就是光的“多普勒效應”。根據這個效應的顯著程度，可以計算相應的運動速度的大小。這就是探測系外行星的“徑向速度法”。
徑向速度法的原理：恆星被行星的引力拽動，繞著一個固定點旋轉，時而遠離我們，時而靠近我們，它們發出的光時而偏藍，時而偏紅，循環往複。| homepage.divms.uiowa.edu
至於行星遮擋恆星的一部分光，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”現象與“金星凌日”現象。
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”擋在恆星與地球之間，就形成了“凌星”現象。雖然看不到那顆恆星上出現的黑點，但依然可以用精密的儀器測出恆星亮度變暗的程度。這就是探測系外行星的“凌星法”。
凌星法的原理：行星遮擋恆星發向地球的光，導致恆星亮度降低 | https://www.google.com/amp/s/platomission.com/2018/05/21/the-transit-method/amp/
石破天驚：首次探測到圍繞另一個太陽的行星
1995年，麥耶與奎洛茲在《自然》（Nature）雜誌發表了一篇論文，他們宣布，通過對過去15年的持續觀測得到的數據進行分析，他們發現了一些恆星的顏色出現有規律的變化，據此可以推斷出它們在重複擺動。
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台設立了望遠鏡與分解星光的光譜儀，持續觀測並改進數據處理技術，終於可以探測到十幾米以內的恆星擺動速度導致的光的“變色”。
麥耶與奎洛茲發表在《自然》（Nature）的論文的一部分內容
在他們觀測的那些恆星中，有一個被命名為“51 Pegasi”的恆星，表現出了最確定的擺動特徵，速度最大時大約是50米每秒，每隔4.23天重複一次變化。這意味著這顆恆星周圍確實存在一顆行星，它每4.23天轉一圈。他們將這個行星稱為“飛馬51 b”（“51 Pegasi b”）。此後，在恆星名稱後面加b、c、d……來命名恆星周圍的行星，成為流傳至今的慣例。
麥耶與奎洛茲在論文中給出的恆星的擺動速度圖，有規律的擺動，證明這顆恆星周圍存在一顆行星
根據麥耶與奎洛茲的分析與計算，這顆行星的質量至少是我們太陽系內的木星的0.47倍，它所圍繞的那顆恆星是一顆類似於太陽的恆星。這顆行星與恆星的距離大約是800萬千米，大約是太陽與地球距離的0.05倍。
但這並不是第一顆被發現的系外行星。1992年，就已經有人首次發現了系外行星，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，亮度遠低於太陽。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。
麥耶與奎洛茲所發現的系外行星是圍繞一顆類似於太陽的恆星運轉的系外行星，這也是人類發現的第一顆圍繞“類太陽”恆星運轉的行星。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公轉的行星是一個氣態巨行星，而不是地球這樣的岩石行星，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。此後一直到現在，從“變色龍”恆星的變色規律推斷出速度，進而推算出系外行星的質量的方法（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。
系外行星科學：一門迅速發展的學科
這次麥耶與奎洛茲獲獎，很多人並不意外——雖然覺得與宇宙學家放一起領獎有些奇怪，因為系外行星科學在過去20多年獲得了迅猛的發展，成為天文領域的超級新貴。
在麥耶與奎洛茲之後，更多系外行星被發現。特別是2009年開普勒（Kepler）太空望遠鏡升空並運行之後，被發現的系外行星的數量猛然增長：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，其中有一些是比地球略大的岩石行星。這些都大大促進了系外行星的研究。截至2019年10月9日，開普勒望遠鏡共發現2734 個最終被確認的系外行星，另外還發現了3312個系外行星候選體。被確認的系外行星個數還在不斷變化，因為後面會有更多候選體被確定為真正的系外行星。
開普勒望遠鏡於2018年10月30日退役後，“凌星系外行星巡天衛星”（TESS）剛好在不久後升空入軌，開展任務。TESS至今為止已經發現了29顆系外行星，並發現了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”發現系外行星的代表是匈牙利自動望遠鏡網絡（HATNet），它於1999年啟動測試， 2001年完全運轉，至今發現的系外行星超過了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發現的系外行星的數目已經超過100個。
其他多個用於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，直接成像法使用特製擋板遮住恆星的光，因此可以直接拍下恆星周圍的行星。
用508厘米口徑的海爾（Hale）望遠鏡直接拍出的圍繞恆星HR 8799運轉的三個系外行星的像。恆星發出的光已經被冕儀遮擋，用綠色叉表示 | NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory
過去二十多年發現的系外行星形態各異：有的是溫度超過一千度的“熱木星”，有的類似於海王星，有的是比地球略大的岩石類行星——“超級地球”。這些系外行星中，有的與它們的母星距離非常近，僅幾天就可以公轉一圈。對這些行星的深入研究，大大推進了人類對行星系統形成與演化機制的認識。那些擁有行星的恆星也形態各異，有許多是比太陽小得多、暗得多的恆星，像太陽那樣的恆星反而隻佔很小的比例。
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恆星周圍的那些。搜尋這類系統，也是將來這個領域努力的方向之一。
結 語
今年的諾貝爾物理學獎對系外行星的兩位先驅的肯定，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展，也將在未來持續發展。現在系外行星的一些專家希望能夠讓將來的光譜儀探測到恆星低於每秒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。最後，祝願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。
作者簡介
王善欽，2018年獲得南京大學天文學博士學位，2016-2018年訪問加州大學伯克利分校，主要研究超新星爆發等現象，業餘也研究科學史。
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