麦耶与奎洛兹的作业初次证明了“径向速度法”是可以用来搜索系外行星的。
撰文 | 王善钦
北京时间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分：闻名世界学家吉姆·皮伯斯（James Peebles，1935-）得到其间一半；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-）共享别的一半。
2019年诺贝尔物理学奖得主 | 诺奖官网
这个音讯出来后，许多地理圈子里的人觉得有些惊奇，由于世界学和系外行星是两个很不相同的范畴。不过，咱们可以这么想：世界学告知咱们从哪里来，系外行星科学告知咱们可以到哪里去：今后地球不适应生计了，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摇摆，然后依据摇摆的速度巨细承认出这颗星星周围有一颗相似于木星的行星在绕着这颗星滚动——就像咱们的地球绕着太阳滚动。
让麦耶与奎洛兹取得诺贝尔奖的那颗星星，名为“飞马座51”（51 Pegasi），在天空中坐落仙女座（Andromeda）下方的飞马座（Pegasus）里。它间隔地球51光年，意味着以每秒30万千米的速度跑，需求跑51年才可以抵达这颗星。
“飞马座51”是5等星。人眼可以看到的最暗星是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，到一个没有灯火污染的当地，不凭仗望远镜就可以看到飞马座与仙女座的4颗亮堂星星构成的一个四边形，四边形右边那颗小星星便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：中国古人称飞马座51为“室宿增一”，他们那时分可没有望远镜。
图中红圈内部的黑点便是飞马座51，周围一切光点也都是恒星 | Wikipedia
想想看，你在恰当的条件下昂首就可以用肉眼看到的这颗星星，竟然也有一个相似于木星的行星绕着它转，这是不是很独特？它竟然可以让人拿到诺贝尔奖，是不是很激动？
在感到独特与激动之后，你或许也想知道，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原理是什么？他们发现的这颗行星是人类发现的第一颗系外行星吗？还有多少与这个论题有关的隐秘？
系外行星的前期探究
人类早已从哲学或许宗教视点猜想世界中有许多相似于地球与太阳的体系，其时日心说没有正式树立，地球被视为中心，太阳被视为绕着地球作业的一颗火球。宗教徒与哲学家猜想世界中有许多“世界”，每个世界都有太阳绕着它们转。
在哥白尼（Nikolaj Kopernik，1473-1543）体系树立日心说之后，第一个从科学视点猜想有“太阳系外的行星”的学者是布鲁诺（Giordano Bruno，1548-1600）。他于1584年提出：天上的那些根本不动的星星——“恒星”——都是相似于太阳的天体，它们周围也有相似于地球的行星环绕它们滚动，这些行星天然便是太阳系外的行星，简称“系外行星”。
环绕恒星作业的行星，反射恒星光，咱们可以看到太阳系内的行星，便是由于它们反射了太阳光。假如一颗悠远的恒星周围有行星，它反射恒星的光，咱们好像可以看到它们。
但实际上，要看到恒星邻近的行星，是十分困难的，由于行星反射的光远远暗于恒星本身宣告的光，就像在几万千米之外看萤火虫在熊熊烈火周围飘动，咱们即运用望远镜看到了火堆，也很难看到萤火虫。这使得人类长期以来无法搜索到系外行星。
捕猎系外行星：观测恒星色彩与亮度的改变
1952年，闻名的恒星物理学家奥托·斯特鲁维（Otto Struve，1897 -1963）初次主张：气态巨行星会拽动恒星，使其色彩发作有规则的改变，可以据此核算出恒星朝着咱们地球的运动速度——径向速度；并且气态巨行星或许会有规则地遮挡一部分传播到地球上的恒星光。斯特鲁维以为，可以用上面的两个效应来判别远处恒星周围是否有行星。斯特鲁维的两个主意有何依据？
首要，行星环绕恒星运动时，恒星本身其实也在动，仅仅由于恒星质量比行星大得多，因而运动不明显，咱们就疏忽恒星的运动了。但在某些情况下，这样的运动是不行疏忽的。比方，当行星质量很大而恒星质量比较小的时分，恒星的运动就比较明显，明显地与行星绕着一同的中心旋转。
恒星会拽动行星，行星也会拽动恒星，二者绕着一个一同的点（质心）公转 | Wikipedia
恒星本身在发光，它们本身的这种运动，会引起恒星宣告的光“变色”：当恒星朝着咱们的方向运动时，光会变得偏蓝；当这个恒星远离咱们运动时，光会变得偏红。这便是光的“多普勒效应”。依据这个效应的明显程度，可以核算相应的运动速度的巨细。这便是勘探系外行星的“径向速度法”。
径向速度法的原理：恒星被行星的引力拽动，绕着一个固定点旋转，时而远离咱们，时而接近咱们，它们宣告的光时而偏蓝，时而偏红，循环往复。| homepage.divms.uiowa.edu
至于行星遮挡恒星的一部分光，这是很简单了解的。比方咱们了解的日食，便是由于月球刚好挡在了地球与太阳的中心，把一部分乃至悉数阳光遮挡居处导致的；水星或许金星有时分也会刚好挡在地球与太阳之间，在太阳的圆面上构成小小的黑点，这便是“水星凌日”现象与“金星凌日”现象。
相同道理，假如一颗系外行星在环绕它的母星运动的时分会“周期性地”挡在恒星与地球之间，就构成了“凌星”现象。尽管看不到那颗恒星上呈现的黑点，但仍然可以用精细的仪器测出恒星亮度变暗的程度。这便是勘探系外行星的“凌星法”。
凌星法的原理：行星遮挡恒星发向地球的光，导致恒星亮度下降 | https:///amp/s/platomission.com/2018/05/21/the-transit-method/amp/
惊天动地：初次勘探到环绕另一个太阳的行星
1995年，麦耶与奎洛兹在《天然》（Nature）杂志宣告了一篇论文，他们宣告，经过对曩昔15年的继续观测得到的数据进行剖析，他们发现了一些恒星的色彩呈现有规则的改变，据此可以推断出它们在重复摇摆。
那一年，麦耶53岁；奎洛兹29岁，是麦耶辅导的博士研讨生。麦耶早在此前十几年就现已在法国普罗旺斯地理台建立了望远镜与分化星光的光谱仪，继续观测并改善数据处理技能，总算可以勘探到十几米以内的恒星摇摆速度导致的光的“变色”。
麦耶与奎洛兹宣告在《天然》（Nature）的论文的一部分内容
在他们观测的那些恒星中，有一个被命名为“51 Pegasi”的恒星，体现出了最承认的摇摆特征，速度最大时大约是50米每秒，每隔4.23天重复一次改变。这意味着这颗恒星周围的确存在一颗行星，它每4.23天转一圈。他们将这个行星称为“飞马51 b”（“51 Pegasi b”）。尔后，在恒星称号后边加b、c、d……来命名恒星周围的行星，成为撒播至今的常规。
麦耶与奎洛兹在论文中给出的恒星的摇摆速度图，有规则的摇摆，证明这颗恒星周围存在一颗行星
依据麦耶与奎洛兹的剖析与核算，这颗行星的质量至少是咱们太阳系内的木星的0.47倍，它所环绕的那颗恒星是一颗相似于太阳的恒星。这颗行星与恒星的间隔大约是800万千米，大约是太阳与地球间隔的0.05倍。
但这并不是第一颗被发现的系外行星。1992年，就现已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”的中子星运动。中子星的质量和太阳差不多，但半径只要太阳的7万分之一，巨细仅仅一个小城市的巨细，亮度远低于太阳。咱们可以求出日子在这样一颗行星上的人（假如有的话）在昂首看天空中的中子星时的心思暗影面积。
麦耶与奎洛兹所发现的系外行星是环绕一颗相似于太阳的恒星作业的系外行星，这也是人类发现的第一颗环绕“类太阳”恒星作业的行星。说飞马座51这颗星相似太阳，到底有多相似呢？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，温度与太阳温度简直彻底持平，年纪大约是61-81亿年，是太阳的1.32到1.76倍。
尽管环绕飞马座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仍然是一个巨大的腾跃。
更重要的是，麦耶与奎洛兹的作业初次证明“径向速度法”是可以用来搜索系外行星的。尔后一向到现在，从“变色龙”恒星的变色规则推断出速度，从而推算出系外行星的质量的办法（径向速度法）就一向是搜索或穿插验证系外行星的重要办法。这便是麦耶与奎洛兹有资历取得诺奖的原因。
系外行星科学：一门迅速展开的学科
这次麦耶与奎洛兹获奖，许多人并不意外——尽管觉得与世界学家放一同领奖有些古怪，由于系外行星科学在曩昔20多年取得了迅猛的展开，成为地理范畴的超级新贵。
在麦耶与奎洛兹之后，更多系外行星被发现。特别是2009年开普勒（Kepler）太空望远镜升空并工作之后，被发现的系外行星的数量突然增加：在开普勒近10年的工作期内，它用“凌星法”发现了几千颗系外行星，其间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讨。到2019年10月9日，开普勒望远镜共发现2734 个终究被承认的系外行星，别的还发现了3312个系外行星候选体。被承认的系外行星个数还在不断改变，由于后边会有更多候选体被确以为真实的系外行星。
开普勒望远镜于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，展开使命。TESS至今停止现已发现了29颗系外行星，并发现了794颗系外行星候选体。将来这些候选体中的一部分会被证实是真实的系外行星。假如将来系外行星范畴还会得到诺奖，开普勒望远镜的首要负责人是有资历获奖的。
地面上运用“凌星法”发现系外行星的代表是匈牙利主动望远镜网络（HATNet），它于1999年发动测验， 2001年彻底作业，至今发现的系外行星超越了100个。
除了开普勒、TESS与HATNet这些运用“凌星法”的望远镜之外，还有运用径向速度法的“高精度径向速度行星搜索器”（HARPS），这是这类仪器的第二代，比当年麦耶与奎洛兹运用的第一代搜索仪器愈加活络。至今停止，HARPS发现的系外行星的数目现已超越100个。
其他多个用于勘探系外行星的仪器还有多个，运用的办法除了以上的两大办法之外，还运用了“直接成像法”“微引力透镜法”，等等。其间，直接成像法运用特制挡板遮住恒星的光，因而可以直接拍下恒星周围的行星。
用508厘米口径的海尔（Hale）望远镜直接拍出的环绕恒星HR 8799作业的三个系外行星的像。恒星宣告的光现已被冕仪遮挡，用绿色叉表明 | NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory
曩昔二十多年发现的系外行星形态万千：有的是温度超越一千度的“热木星”，有的相似于海王星，有的是比地球略大的岩石类行星——“超级地球”。这些系外行星中，有的与它们的母星间隔十分近，仅几天就可以公转一圈。对这些行星的深入研讨，大大推进了人类对行星体系构成与演化机制的知道。那些具有行星的恒星也形态万千，有许多是比太阳小得多、暗得多的恒星，像太阳那样的恒星反而只占很小的份额。
人们最喜欢的系外行星当然是本身相似地球且环绕在相似太阳的恒星周围的那些。搜索这类体系，也是将来这个范畴尽力的方向之一。
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。这个活泼的学科在曩昔二十多年迅猛展开，也将在未来继续展开。现在系外行星的一些专家期望可以让将来的光谱仪勘探到恒星低于每秒1米以下的运动速度。
咱们期望将来可以搜索到间隔地球足够近的相似地球的宜居的的系外行星，尽管最近的系外行星间隔咱们也有好几个光年。飞向世界深处，是人类的愿望之一。
恭喜麦耶与奎洛兹（以及皮伯斯），恭喜一切从事行星科学研讨的地理学家，也恭喜又斩获诺奖的整个地理学界。最终，祝福仰视星空的读者中有人可以在将来凭仗自己对星空的探究而取得这项荣誉。
作者简介
王善钦，2018年取得南京大学地理学博士学位，2016-2018年拜访加州大学伯克利分校，首要研讨超新星迸发等现象，业余也研讨科学史。
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