2019年諾貝爾物理學獎解讀:系外行星是如何發現的?

白繼開攝

2019年10月8日，瑞典皇家科學院宣布了2019年諾貝爾物理學獎的歸屬。本次諾獎頒發給了兩個領域，其中來自瑞士的米歇爾·馬約爾教授和迪迪埃·奎洛茲教授，因為「發現了一顆圍繞類太陽恆星運行的系外行星」，而分享了本屆諾貝爾物理學獎的一半獎金。

系外行星是目前十分熱門的一個研究領域，特別是這個研究與發現外星生命有關，更吸引了很多人的興趣。

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早期猜測：系外行星存在嗎？

人類從仰望星空的那一刻起，就開始了「我們在宇宙中是否唯一」的追問。許多歷史上的偉人也不斷思索著「太陽系之外到底是否有其他行星乃至生命存在」？

早在16世紀，布魯諾在《論無限的宇宙和世界》中就提出了對於系外行星的預言。他認為天空中的恆星，應該都像我們的太陽一樣，它們的周圍也會環繞著行星，而這些行星也可以孕育自己的生命。他的這一思想拓展了那時剛被哥白尼提出不久的「日心說」。然而，「地心說」的思想在當時人們心中根深蒂固，布魯諾的思想被認為是異端邪說。

18世紀時，牛頓在他的曠世名作《自然哲學的數學原理》一書中提到了同樣的可能性。通過與太陽周圍行星類比，牛頓腦海中浮現出的，是其他恆星周圍類似太陽系一樣行星環繞的壯觀場景。系外行星的猜想也被越來越多的人所接受。

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首次發現：脈衝星周圍的異類

19世紀以來，隨著望遠鏡越做越大和探測手段的不斷進步，有很多研究者都聲稱發現了系外行星，但都無法得到證實。而人類的第一顆系外行星，卻被射電天文學家在一類不可思議的天體周圍偶然發現了。

1992年，射電天文學家亞歷山大·沃爾茲森和戴爾·弗萊在精確測量脈衝星PSR 1257+12的脈衝信號時，找到了不屬於脈衝星的其他信號，進而發現了它周圍的兩顆系外行星，並被證實。然而脈衝星是高速自轉的中子星，中子星是大質量恆星死亡的一類產物，它的密度大到在一個指甲蓋大小的體積內，可以集中數噸的重量。脈衝星又因為有強磁場，高速轉動並不斷向外發出周期性強輻射。這樣嚴酷的環境，周圍存在的系外行星肯定與我們的地球相去甚遠，自然不會有生命存在。雖然這兩顆系外行星創造了人類首次，但顯然科學家還是更希望在跟太陽類似的恆星周圍找到行星，而不是一個死亡的「大怪物」旁邊；發現所用到的精確計時方法也並沒有在後續搜尋中廣泛應用。這一發現也因此與諾獎失之交臂。

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困難重重：難以察覺的信號

脈衝星周圍系外行星的發現純屬偶然，探測方法也並不普適。那更可能發現系外行星的方法是怎樣的呢？由於行星自身不發光，所以我們很難直接在其他恆星周圍找到可能存在的系外行星，這時候牛頓的萬有引力定律又可以來幫忙了。行星自身的質量使得行星和恆星圍繞著他們共同的質量中心在轉動。那麼在地球上的望遠鏡，就有可能看到行星引力對於恆星的影響：行星讓恆星在天空中輕輕「搖擺」，換句話說就是在視線方向上，恆星受行星引力作用，時而遠離時而靠近我們。這種細微的搖擺反應在光譜上，就會造成恆星光譜不斷紅移和藍移的速度變化。我們稱這種探測系外行星的方法為視向速度法。

由於行星與恆星質量相差懸殊，太陽系內質量最大的木星，造成的太陽視向速度額外的變化量只有12.4米/秒，換成地球則只有不到10釐米/秒。而距離我們最近的恆星也在4光年之外。也就是說，我們要在地球探測遠在數光年之外恆星米每秒量級的晃動，還要排除各種其他因素的幹擾，這個難度可想而知。

當時國際上的幾個小組就是通過這種方法，長期監測天上的一批與太陽類似的恆星，期待發現其中潛在的系外行星，從而奪取這個領域的第一。按照人們基於太陽系的普遍認識，距離恆星較遠、質量較大類似木星的系外行星應該會被最先發現。但正所謂萬事開頭難，人們用這一方法苦苦尋找了近十年卻一無所獲。

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一舉奪魁：顛覆認知的發現

在天文同行都一籌莫展的時候，瑞士日內瓦大學馬約爾和奎洛茲師徒依舊默默努力著，他們將老光譜儀的探測精度提高了20倍，同時積累了更多觀測數據，並大膽地減少限制條件擴大搜索範圍。功夫不負有心人，他們在1994年發現恆星飛馬座51周圍存在一個質量至少有半個木星重的天體，每4天繞轉一圈。這一發現令師徒二人困惑不已。要知道，太陽系中距離太陽最近的水星，公轉周期也要88天，而這個周期更短的天體卻比水星重將近3000倍。這個看不見的天體質量巨大卻離它的「太陽」如此之近，完全顛覆了當時天文學界的認知。他們花了半年多的時間排除結果中可能存在的其他錯誤。而大洋彼岸的美國天文學家也通過獨立觀測的數據，從側面證實了他們的發現。1995年11月，師徒二人在《自然》雜誌發表文章，正式宣布他們首次在類太陽恆星周圍發現了系外行星——飛馬座51b。

對於像飛馬座51b這種大質量短周期的系外行星，由於距離恆星很近所以表面溫度極高，天文學家也給了它們一個形象的名字——熱木星。人們很難想像與太陽系內八大行星迥異的熱木星是如何形成的，這一發現對當時的行星形成理論提出了巨大挑戰，同時也開啟了後續系外行星探測的熱潮。

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飛速發展：系外行星的新時代

飛馬座51b的發現，為人類打開了發現系外行星的鑰匙，開啟了系外行星研究的新時代。系外行星作為天體物理學領域的年輕分支，在隨後的二十多年得到了蓬勃的發展。探測方法不斷革新，研究手段有了長足的進步，研究內容也更加細緻深入。

從第一顆，到現在的4000多顆，我們不僅僅知道了系外行星的存在，還知道了系外行星是在恆星周圍普遍存在的，這從一到多的過程，對於人類的認識無疑是革命性的。從熱木星，到超級地球再到類地行星，我們不僅可以發現大個頭的系外行星，還發現了更多與我們地球質量大小類似的行星。更多地球兄弟姐妹的發現無疑也帶來了更多的憧憬。從簡單的測量行星周期質量半徑，到現在可以探測到行星大氣上可能存在的水分子和氧分子，我們在一點點向系外生命靠近。

馬約爾和奎洛茲大膽跳出人類的固有思維，在當時困難重重的情況下發現了飛馬座51b，開啟了系外行星研究的新時代，使得系外行星成了天文學中最活躍的研究領域之一，大大縮短了人類尋找「我們在宇宙中是否唯一」這一問題答案的時間。

如今，早已退休的馬約爾教授，依然繼續著系外行星的探索。他當年的學生奎洛茲，也已成為了劍橋大學的教授，領導著多個歐洲的地面和空間系外行星探測計劃。諾貝爾獎評審委員會將物理學獎授予他們，不僅僅是表彰他們引領學科發展的第一次發現，同時也是對系外行星探測未來的充分看好和正面激勵。未來大型的空間地面望遠鏡，將進一步深入細緻地研究我們近鄰的系外行星，期待能夠有一天揭開它們上面生命存在的奧秘。

延伸閱讀

用理論去解釋宇宙

本次諾貝爾物理學獎頒發給了兩個領域，除了我們上文介紹的發現系外行星領域外，另外一半獎金授予了美國普林斯頓大學的宇宙學家詹姆斯·皮布爾斯，以表彰他「在物理宇宙學的理論發現」。

科學家對於宇宙的研究認識，需要將觀測和理論結合起來尋找答案。皮布爾斯作為世界知名的理論宇宙學家，對於我們熟知的宇宙大爆炸模型做出了巨大貢獻，並在許多宇宙學領域都做出了開創性的工作。他從上世紀60年代發展起來的理論框架，對於原初元素核合成、暗物質、宇宙中星系等結構形成、宇宙微波背景輻射等諸多問題都給出了理論解釋，是當代宇宙學的基礎。這一整套系統理論中對於宇宙諸多物理過程的分析預測，為人類認識宇宙形成和演化奠定了基礎，也與後來諸多的觀測結果相吻合。他的許多文章和著作是宇宙學的經典。

在宇宙中，我們已經認識和研究的物質只佔整個宇宙的5%，而剩下95%的暗物質和暗能量，對於我們人類還是未知的謎團，需要更多像皮布爾斯一樣的科學家為我們解開。

來源：北京日報

作者：宋楠

流程編輯：王宏偉