諾貝爾物理學獎回顧：尋找系外行星
皮布爾斯（左）、馬約爾（中）、奎洛茲（右）的素描像，圖片來源：Ill. Niklas Elmehed. ? Nobel Media
引言：
上回咱們說到了皮布爾斯和他的物理宇宙學，詳解了這位天文學家的研究經歷。今天的下半場，我們來回顧一下瑞士日內瓦大學的馬約爾（Michel Mayor）和瑞士日內瓦大學及劍橋大學的奎洛茲（Didier Queloz）以及他們的發(fā)現——系外行星。
撰文 | 陳學雷（中國科學院國家天文臺）
責編 | 韓越揚 呂浩然
馬約爾和奎洛茲都是瑞士人。馬約爾生于1942年，1966年在洛桑大學獲得物理碩士學位后，1971在日內瓦天文臺獲得了博士學位，此后便留在日內瓦天文臺工作?？迤澤?966年，1990年獲得日內瓦大學碩士，1995年獲得博士學位，是馬約爾的學生。
哥白尼日心說提出之后，人們就開始猜想其它恒星可能也像我們的太陽一樣被行星所環(huán)繞，例如布魯諾就提出了這樣的設想。這是一個很合理的假說，但要真正證實這一點卻并不容易：行星不發(fā)光，雖然可以反射一點點中心恒星的光，但遠比恒星暗的多；而恒星在望遠鏡里也不過是一個光點而已，因此要看到行星就更為困難了。
早在一百年多年前，天文學家們就開始努力探測太陽系外行星，也曾有很多人宣稱探測到了系外行星，但最終都被進一步的觀測否定了。比如，1960年代，天文學家彼得·范德坎普（Peter Van de Kamp）聲稱探測到了環(huán)繞離我們不太遠的巴納德星的行星，但后來發(fā)現這可能是他的觀測儀器出了問題。直到上世紀90年代，人們在系外行星探測上才終于取得了突破。
首先取得的突破有點出人意料。1990年，波蘭天文學家亞歷山大·沃爾茲森（Aleksander Wolszczan）使用當時全世界最大的單天線射電望遠鏡阿雷西博（Arecibo）射電望遠鏡發(fā)現了脈沖星PSR 1257+12，這是一顆轉動周期僅6.22毫秒的脈沖星。脈沖星是天文學家們在上世紀60年代開始發(fā)現的天體，它們發(fā)出的輻射是周期性的脈沖。脈沖星本質上是中子星，中子星密度很大，其半徑只有十千米或幾十千米量級，相當于地球上的一座大山，但其質量則達到1.4個太陽質量以上。中子星快速旋轉，它像燈塔一樣產生指向某個方向的輻射，當這個方向掃過我們所在的方向時，就會被我們看到。
通常脈沖星的轉動如同最精密的鐘表一樣非常規(guī)則、穩(wěn)定，然而觀測表明這顆脈沖星的轉動周期有一些反常的變化。經過分析，沃爾茲森和美國天文學家戴爾·弗雷歐（Dale Frail）發(fā)現，有兩顆行星在圍繞著這一脈沖星一起轉動，他們在1992年公布了這一發(fā)現，這是人類首次發(fā)現的系外行星。后來，在1994年他們又發(fā)現了這一系統(tǒng)中第三顆質量更小的行星（這也是迄今為止發(fā)現的質量最小的系外行星）。這三顆行星的質量分別為0.02/4.3/3.9個地球質量，周期分別為22.262/66.5419/98.2114天。
沃爾茲森和弗雷歐的發(fā)現是人類歷史上第一次得到證實的系外行星。不過，這種系統(tǒng)和我們所處的太陽系行星太不相同了。中子星往往是在超新星爆發(fā)時形成的，而且本身也產生大量高能輻射。如果這些行星上曾有過生命，它們也多半在超新星爆發(fā)時被摧毀了。實際上，天文學家懷疑這幾顆行星很可能是超新星爆發(fā)后由超新星拋射出去的物質形成的。
而人們更加關心的是類似太陽這樣的、相對普通的恒星周圍有沒有行星呢？
系外行星的探測方法很多種，其中一種是通過精密測量恒星運動。我們的地球在萬有引力作用下環(huán)繞太陽運動，但反之太陽也受到地球萬有引力的作用，因此嚴格地說地球和太陽都會環(huán)繞二者的質心轉動。如果能測到恒星的這種轉動，就可以確認其行星的存在；再根據轉動的周期，也可以推算出行星的轉動周期和距離；而根據轉動的幅度大小，還可以推斷出行星的質量。
那么，如何測量行星的運動呢？天體的運動可以分解為沿著我們看向它的視線方向的徑向運動和垂直的切向運動。其中，切向速度較難測量，而徑向速度的測量更加直截了當，因為根據多普勒效應，我們觀測會發(fā)現趨近我們的天體其輻射的波長變短，而遠離我們的天體其輻射波長變長。根據波長變化的程度，就可以測出天體沿著徑向的運動速度。
盡管徑向速度的觀測原理很簡單，但這只是理論上的簡單，實際的觀測難度還是相當大的。例如，地球引起的太陽環(huán)繞日地質心的運動速度只有9 cm/s， 即使是太陽系內質量最大的木星引起的太陽速度也只有10 m/s，而其對應的多普勒效應所引起的波長變化只有波長的大約三千萬分之一，要測到這樣的精確還是很困難的。
馬約爾早年研究恒星的光譜測量[3,4]，最初的目標是為了了解銀河系的結構。太陽以及其它大多數銀河系恒星都分布在一個被稱為銀盤的盤狀結構上，環(huán)繞著銀河系中心旋轉。不過，這些恒星的軌道參數各不相同，因此它們彼此還存在相對運動，可以從測量這些恒星的速度了解其分布情況，推斷銀河系的旋臂結構。這些恒星之間的相對速度從每秒幾千米到每秒幾十千米，相應的波長移動是幾萬分之一，比較容易測出來的。另外，許多恒星是雙星，繞著共同的質心旋轉，這也是馬約爾的一個研究課題。上世紀70年代，馬約爾與同事合作研制了精密的階梯光柵攝譜儀用于這種測量。
光柵是一種將光分解為不同波長光譜的裝置，它上面有密密麻麻的細槽，這些不同槽反射或透射的光相互之間可以干涉，在不同角度上，取決于波長，會形成相長或相消的干涉，相長干涉的波長就給出了對應的顏色。我們所熟悉的光盤反射光線時會出現一些彩虹般的光，就是因為光盤為了記錄數據刻有這種細槽。此外，有些鳥類如孔雀的羽毛色彩鮮艷、非常漂亮，也來自這一效應。階梯光柵攝譜儀能把光柵的不同階光譜平行地投射形成二維圖像，再拍攝下來就得到了光譜。為了便于校準微小的波長變化，使用具有豐富譜線的釷光源形成定標光譜，通過多條譜線的同時測量提高多普勒測量的精度。
光盤之所以五光十色正式得益于盤面上的，肉眼幾乎不可見的細槽，圖片來源：pixabay
1977年，馬約爾與同事合作研制的CORAVEL光譜儀安裝在位于法國東南部的上普羅旺斯天文臺（Haute Province Observatory）的一臺瑞士1米望遠鏡上，在巡天中其測速精度達到了250米/秒，配合計算機控制的自動光譜測量系統(tǒng)，可以在觀測時就給出速度讀數，其工作效率比之前的設備提高了三個數量級。
馬約爾用此設備系統(tǒng)地研究雙星，給出了銀盤上的雙星或多星系統(tǒng)的分布。馬約爾團隊并不是當時唯一開展這項研究的，與他們研究方向很接近的還有哈佛大學天文學家大衛(wèi)·萊瑟姆（David Latham）。1988年，萊瑟姆發(fā)現了一顆恒星的光譜速度有84天的周期性變化，馬約爾等人的觀測證實了這一結果[5]。測量表明，引起這一變化的是一顆質量大于等于11個木星質量（百分之一太陽質量）的伴星。
那么這顆伴星是什么呢？我們知道恒星與行星的差別在于其核心內是否發(fā)生核反應，如果質量太低，核心的溫度、壓強不足，核反應就難以發(fā)生。十一個木星質量已接近最小質量恒星——褐矮星的下限，既可能是褐矮星，也可能是個質量很大的恒星。
圖7. 1998年研制成功的CORALIE光譜儀二維光譜，每一長條來自光柵的一階，其中的黑點來自同時曝光定標用的釷光源。
這一發(fā)現給了馬約爾很大的啟發(fā)，他意識到使用他所熟悉的徑向速度測量技術有機會探測到系外行星。90年代初，馬約爾進一步改進了設計，使用了電荷耦合器件（CCD）、光纖等新技術，研制出了ELODIE光譜儀，安裝在了普羅旺斯天文臺的1.93米望遠鏡上。其測速精度進一步大幅度提高，達到了13～15米/秒，已經比較接近探測類似太陽系木星的系外行星所需的精度了。
1994年春，他和研究生奎洛茲從之前CORAVEL觀測中未發(fā)現伴星的恒星中挑選出142顆開始系統(tǒng)觀測。到了年底，他們已在飛馬座51號星中看到了一個明顯的4.2天周期變化。經過1995年春進一步的觀測證實，并排除了其它的可能性后，第一個環(huán)繞類似太陽恒星的行星被發(fā)現了。按照國際天文聯合會制訂的命名規(guī)則，系外行星用主恒星名稱后加小寫字母命名，字母從b開始按發(fā)現順序排列，同批發(fā)現的行星則按從內到外排序，因此這顆行星后來被命名為飛馬座51 b（51 Peg b）。
馬約爾和奎洛茲寫成論文投遞給《自然》雜志，并在一次學術會議上宣布了這一發(fā)現，但按照《自然》雜志的要求，在論文正式出版前他們不能發(fā)布新聞。在會上聽了他們報告的美國加州伯克利大學的杰弗瑞·馬西（Geoffrey Marcy）和保羅·巴特勒（Paul Butler）回去后立刻進行了觀測。由于該星周期只有4.2天，他們很快就證實了這一發(fā)現，并搶先對外公布而引起了轟動。在此后的一段時間里，馬西團隊發(fā)現了很多系外行星，甚至一度成為系外行星研究領域最著名的人物。不過，2015年，馬西因被曝光對多名他指導的女學生性騷擾而被迫辭職，終結了其學術生涯。
圖8. 51 Peg的視線速度隨時間（以周期為單位）的變化曲線
飛馬座51與我們的太陽很類似，也是一顆被分類為G-矮星的普通恒星，質量約1.11太陽質量，距離我們大約50光年。不過，其行星卻與太陽系行星頗為不同。飛馬座51 b的質量大于等于0.47木星質量，但距離其中心恒星非常近，僅0.0527天文單位（地球到太陽的距離稱為天文單位，1.5億千米），也就790萬千米左右，每4.23天就環(huán)繞其中心恒星一周。相比之下，太陽系里即使最內層的水星距離太陽也還有0.4天文單位，環(huán)繞太陽一周需要88天。
實際上，由于這顆行星質量相當大，卻又離其主星特別近，其引起的速度變化幅度高達60 米/秒，如圖8所示。由于這顆行星距離主星很近，它的溫度應該相當高，據估計可達1300 K（約一千攝氏度），質量又相當大，類似太陽系中的木星，因此后來這類行星被稱為熱木星。
圖9. 飛馬座51b 藝術想象圖。右側為恒星，左側為不發(fā)光的51b。
熱木星的發(fā)現出乎很多天文學家的意料，因為在我們太陽系中，靠近太陽的行星如水星、金星、地球和火星都是質量較小的巖石行星，而木星、土星等大質量的氣態(tài)巨行星和天王星、海王星等冰質巨行星都出現在離太陽較遠的地方。
為什么太陽系行星有這樣的分布？一種可能的解釋是：在距離太陽較近、溫度較高的地方，原始的星云中能夠留存下來形成行星的只有比較稀少、不易揮發(fā)的成份，從而形成質量較小的巖石行星。而在距離太陽較遠的地方，一些易揮發(fā)的成份如水等在低溫下也能凝聚成液體或固體，一旦形成一個較小質量的核心之后就會吸引軌道上的氣體，因此最終形成質量較大的氣態(tài)巨行星或冰質巨行星。正因為如此，很多人一開始不太相信在距離恒星如此近的地方會發(fā)現大質量行星。
要解釋熱木星的存在，需要考慮行星的遷移。早在80年代，一些天文學家就提出，太陽星云在收縮形成氣體盤后，一些行星在盤中形成，之后可以與盤相互作用交換角動量而發(fā)生遷移。取決于盤和行星的具體情況，這種遷移既可能是向內遷移，也可能是向外遷移。
熱木星被發(fā)現后，加州大學圣克魯茲分校的林潮等人（Lin, Bodenheimer, Richardson 1996）首先提出了熱木星在距離中心恒星較遠處形成，然后通過與氣體盤的作用遷移到中心恒星附近。此后，又有人提出了一些其它的遷移機制，比如通過行星之間的散射導致行星進入大橢率軌道，然后在軌道的近日點通過與中心恒星的潮汐作用損失能量，使軌道逐漸圓化并靠近恒星等。熱木星形成機制目前仍然是活躍的研究課題[6]。
在馬約爾等人使用徑向速度法的測量取得突破之后，一些其它的觀測手段也相繼取得突破。除了徑向速度法之外，另一個取得大量發(fā)現的是凌星法：我們可以監(jiān)視大量恒星，當一個行星經過恒星前方的時候，會遮蔽一部分恒星而導致恒星的亮度降低，直到掩星結束時亮度再恢復原樣。
目前世界上共有三顆衛(wèi)星進行了凌星法觀測：法國的“對流旋轉與行星凌星”衛(wèi)星（CoRoT，2006-2014），共發(fā)現32顆系外行星；美國的開普勒衛(wèi)星（2009-2018），發(fā)現5011個系外行星候選事例，其中2662個得到證實；美國的系外行星凌星巡天衛(wèi)星（TESS，2018-2020），已給出了2100個候選事例，有66個已證實。更多的空間探測器也在計劃中，例如2019年底剛剛發(fā)射的CHEOPS。此外，還有一些地面設備也開展了這方面的研究。
圖10. 已發(fā)現的不同類型的系外行星，圖片來源：Wikipedia
除了凌星法外，還有微引力透鏡（眼見不為實——引力透鏡效應）、直接成像、精確天體位置測量等方法，限于篇幅，這里不一一贅述了。截至2020年9月，已有4330個系外行星被發(fā)現并得到證實，其中許多系統(tǒng)有不只一個行星被發(fā)現。
這些觀測大大拓展了人類的視野：在太陽系周邊的恒星中，就存在著非常多種多樣的行星系統(tǒng)，其行星周期從幾小時到幾年，其大小從小于地球到幾十倍地球，有的是巖石類型，有的則是氣態(tài)巨行星。
而且其中許多行星位于所謂的“宜居帶”（離中心恒星的距離不遠不近，使其溫度恰好允許液態(tài)水的存在），且大小也接近地球，因此完全可能具備生命存在的條件。了解這些不同的行星世界，我們才能看清地球與其它行星的相同和不同之處，從而更好地了解地球的地位。
圖11. 開普勒行星與宜居帶：綠色為宜居帶，這在一定程度上取決于中心恒星的表面溫度。帶左面的行星溫度太高，右邊則太低。圖片來源：Wikipedia
皮布爾斯在物理宇宙學的理論發(fā)展中起了主要的作用，馬約爾和奎洛茲則首次觀測到了環(huán)繞類似太陽的恒星轉動的行星。他們的研究方向又相當不同，把他們組合在一起授獎似乎略顯奇怪。不過，諾貝爾獎的頒發(fā)受到很多條件的約束，而候選者有時也有各方面的爭議，這可能也是該獲獎組合奇怪的原因。但無疑的是，這三位獲獎者在人類對宇宙的探索中都做出了巨大的貢獻。
作者簡介：1991年復旦大學物理系本科畢業(yè)，1994年北京大學物理系碩士畢業(yè)，1999年哥倫比亞大學博士?，F為中國科學院國家天文臺宇宙暗物質與暗能量研究團組首席研究員，中國科學院大學天文與空間學院崗位特聘教授。主要研究領域為宇宙學、射電天文學。
作者注：本文原發(fā)表于《自然雜志》41卷第6期，391-400（2019），本次的《賽先生》版本除修改了一些筆誤外，還根據維基百科更新了TESS. Kepler 等航天器發(fā)現的系外行星數量和所有已發(fā)現系外行星總數，并附上了參考文獻。
參考文獻：
[3] D. QUELOZ, M. MAYOR et al., From CORALIE to HARPS, The Way Towards 1 m s–1 Precision Doppler Measurements, The Messinger, No. 105, September 2001
[4] M. Mayor & D. Queloz, From 51 Peg to Earth-type planets, New Astronomy Review 56, 19-24(2012)
[5] American Institute of Physics Oral History, OH 33561, interview with David Latham on October 8th,2006, by David H. DeVorkin, https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/33561
[6] R. I. Dawson & J. A. Johnson, Origin of Hot Jupiters, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 56，175（2018）
制版編輯 | Livan
