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米歇爾·馬約爾（Michel Mayor），瑞士天體物理學家，2019年諾貝爾物理學獎得主。圖源：Franck.schneider, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

我們可以向自己提出的一個最有趣、激動人心、引人遐想的問題是：宇宙中其他地方是否存在生命？這個問題激發(fā)了一代代科幻作家、科學家和好奇的人們的想象力。在這篇文章中，我將介紹我們如何在太陽系外發(fā)現(xiàn)了第一顆圍繞類日恒星運行的行星（系外行星）——我因這一工作獲得2019年諾貝爾物理學獎。我還將告訴你，自這項發(fā)現(xiàn)以來科學家取得的進展，以及探索宇宙中其他地方是否存在生命這一問題所面臨的挑戰(zhàn)。我們離解答這個長期存在的問題還有多遠？讓我們一探究竟。

你能想象在宇宙的某個地方或許存在著其他的生命形式嗎？起初，這種想法似乎有點異想天開或難以理解。但是，作為一名天體物理學家，我可以告訴你，這實際上是很有可能的。為什么呢？因為宇宙中有非常多的行星，數(shù)量多得難以想象，其中一些行星的條件可能很適合形成生命。在深入探討宇宙中其他生命的可能性之前，先來看看我們是如何發(fā)現(xiàn)太陽系之外的行星的吧。

你可能知道，每個原子的能級都與其原子核周圍電子的運動相對應。當光穿過一個原子時，與原子能級相對應的特定波長的光被原子吸收，接著原子又會自發(fā)地發(fā)射出光，但其頻率與被吸收光的頻率稍有不同（即發(fā)生了偏移）。每種原子（鐵、氫、鈣等）的偏移都是特定的。這意味著，如果我們能夠檢測到與原子相互作用后的發(fā)射光，分析它的波長，就能得到該原子的特定“指紋”。光譜在與原子相互作用之前是連續(xù)的，而探測到的光譜上可以看到特定波長的減弱（暗線）或增強（亮線）。這些線被稱為光譜線。

每顆恒星周圍的大氣層中都有特定的原子組合。所以，通過探測穿過恒星大氣層的光，我們就能得到它獨特的譜線指紋，這是由恒星大氣層中各種各樣的原子產(chǎn)生的。我們可以利用這些光譜線上的微小偏移來推斷出圍繞這顆恒星運行的行星的存在。這些小的偏移是由多普勒效應引起的。

圖1 多普勒效應。當一輛救護車鳴笛向你（右邊的人）駛來時，警報器的聲音比它遠離你（左邊的人）的時候更快地到達（頻率更高）。這種效應是從觀察者的角度看到的頻率變化。警笛聲的頻率實際上沒有變化。

任何類型的波都遵循這一規(guī)律，包括光。因此，當像恒星這樣的發(fā)光物體向我們移動時，它的光譜將會向短波長、高頻率移動（稱為藍移），而當它遠離我們時，光譜會向長波長、低頻率移動（稱為紅移）。而當行星圍繞著恒星運行時，行星的引力會影響恒星的運動——恒星沿著由行星軌道引起的橢圓軌道運動，所以恒星有時候向地球移動，有時候遠離地球。恒星相對于地球運動方向的變化會引起恒星光譜線的變化?？偟膩碚f，這意味著我們可以通過測量恒星光譜線的多普勒頻移，來間接推斷出圍繞恒星運行的行星的存在（圖2）。

圖2 利用多普勒效應探測系外行星。一顆看不見的系外行星圍繞著一顆遙遠的恒星運行，導致這顆恒星沿著橢圓軌道運動。這顆恒星有時向地球移動（1），有時遠離地球（2）。由于多普勒效應，我們看到恒星發(fā)出的光譜線頻率發(fā)生了變化，當恒星向地球移動時，頻率會更高（藍色），當遠離地球時，頻率會更低（紅色）。這種變化可以用來推斷系外行星的存在（圖源ESO）。

那么，我們用什么辦法提高這一測量的精度呢？我們使用了另一個巧妙的技巧，稱為互相關技術。該技術在20世紀80年代到90年代得到了優(yōu)化，在我們探測太陽系外行星的工作中發(fā)揮了重要作用。

這一技術的關鍵思想是，在對感興趣的恒星進行測量時，我們不是只關注一條譜線的偏移，而是關注多普勒效應導致的所有譜線的集體偏移。為此，我們使用了稱為CORAVEL光譜儀的設備（圖3A）[1, 2]。CORAVEL光譜儀中有一塊帶孔的平板（圖3B），這些孔正好位于我們預期來自特定恒星的光線中出現(xiàn)暗譜線的位置。所有通過這些孔的透射光都被送到一臺探測器上。當恒星的暗譜線正好位于孔的前面時，我們檢測到的透射光最少（圖3C，左）。然而，如果由于系外行星影響了恒星的運動而產(chǎn)生了多普勒頻移，那么相對于板上的孔的位置，成千上萬條光譜線的位置將同時移動，通過孔的透射光量將會增加（圖3C，右）。在發(fā)生這種多普勒頻移后，我們需要移動平板，使孔再次與暗譜線對齊，這樣探測器檢測到的透射光又會變到最少。

圖3 使用CORAVEL光譜儀進行互相關測量。（A）工作人員站在位于智利拉西拉天文臺的CORAVEL光譜儀前。（B）原始的CORAVEL板及其孔洞（黑色條紋），我們使用這塊平板，借助互相關技術探測從飛馬座51到達的許多（暗）譜線的多普勒頻移。（C）CORAVEL望遠鏡收集來自恒星的光線，并投射到帶孔的板上。當黑線與板上的孔對齊時，到達光探測器的光量最少（左圖，“對齊”）。圍繞這顆恒星運行的行星的存在引發(fā)了多普勒效應，黑線移動之后不再與孔對齊，此時大量的光通過平板并到達探測器（右圖，“未對齊”）。檢測到的光量增加反映出光譜線位置的變化，使我們能夠推斷出存在一顆圍繞恒星運行的行星。[圖源：（A）ESO和（B）參考文獻 [1]。]

因此，通過測量恒星在其軌道上兩個位置的吸收光譜線，并移動平板使兩次檢測到的光量都變到最小，我們就知道平板在第一個最小值（恒星的第一個位置）和第二個最小值（恒星的第二個位置）之間移動了多少。正是由于系外行星的存在，導致恒星光譜線發(fā)生多普勒頻移，我們才觀察到了平板在兩個暗譜之間的移動。通過計算恒星譜線的多普勒頻移，結合其他測量，我們便可以了解探測到的系外行星的特征。

互相關技術讓我們能夠把來自所有單獨光譜線的多普勒頻移信息聚合到一個單一物理量中。這個物理量稱為多普勒速度，因為它能表示由近軌行星的存在而導致的恒星速度變化。利用多普勒速度，結合其他的一些測量，我們不僅可以推斷出行星的存在，還可以得知它的質量、大小，以及圍繞恒星運行一周所需的時間。1995年，我和同事迪迪?！た迤澙眠@種方法發(fā)現(xiàn)了飛馬座51b——這是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星[3]。

圖4 （A）飛馬座51b系外行星（小球體）和它所環(huán)繞的恒星的藝術表現(xiàn)圖。飛馬座51b是一顆氣態(tài)行星，距離地球約50光年。它是我們在太陽系外發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞類太陽恒星運行的行星。（B）我的同事迪迪?！た迤潱ㄗ螅┖臀艺驹谥抢骼煳呐_的3.6米HARPS望遠鏡前。自2003年以來，HARPS望遠鏡就搭載了我們開發(fā)的互相關技術，用來搜索系外行星。[圖源：NASA/JPL-Caltech（A）和L. Weinstein/Ciel et Espace Photos（B）。]

正如前面提到的，飛馬座51b是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞恒星運行的系外行星。這顆恒星和系外行星本身就很有研究價值，并且這個發(fā)現(xiàn)也給行星探測領域帶來了兩項突破性進展。第一，此前科學家并不確定，在宇宙中除太陽系之外的地方是否還存在著圍繞恒星運行的行星，飛馬座51b的發(fā)現(xiàn)證明這樣的行星確實存在，而且可以用互相關技術探測到。第二，它證明了一個叫做行星遷移的假設，即隨著時間的推移，行星可以發(fā)生位移，更靠近它們所環(huán)繞的恒星。對于天體物理學家來說，這種與它們所環(huán)繞的恒星非常接近的巨行星非常具有吸引力，因為它們可以更快地使用互相關技術被觀察到。在發(fā)現(xiàn)飛馬座51b之前，科學家認為巨行星的軌道周期不可能短于10年，這意味著使用多普勒效應探測一顆行星需要10年的時間！但我們的發(fā)現(xiàn)表明，這類行星的軌道周期可能短至幾天，只有預期的千分之一！這意味著一些系外行星可以在短短幾天內探測到。

這兩項突破都極大地促進了對更多圍繞恒星運行的系外行星的探測。如今，科學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了5000多顆這樣的行星！這是朝著尋找宇宙中可能的生命邁出的重要一步。

要發(fā)現(xiàn)其他行星上的生命，最簡單的方法似乎是向它們發(fā)射航天器，四處觀察并拍照。但是，以我們目前的技術和對物理學的理解，這是不可能的，因為航天器到達這些非常遙遠的行星要花太長時間，耗費極多的能量。因此，我們需要使用遠程探測方法，通過間接的測量和觀察來判斷某個星球上是否存在生命。例如，可以使用光譜來分析系外行星大氣中的化學成分。由于我們非常熟悉地球大氣中的氧氣（臭氧）、氮氣、甲烷和二氧化碳等化學成分的譜線，我們可以嘗試在其他行星的大氣中尋找類似的光譜。這種方法以及其他的研究方法，雖然很有前途，但非常復雜，需要經(jīng)過改進才能發(fā)揮作用。因此，能否以及如何探測到系外行星上的生命這一重大問題，對于像你們這樣的下一代年輕科學家來說，仍然是一個了不起的挑戰(zhàn)！

我相信，要成為一名科學家，你需要有很強的好奇心?？茖W不是一份“正常”的工作，它不僅僅是為了掙錢。但是，如果你對科學中的任何問題都充滿好奇，我相信成為一名科學家你會很開心——就是這么簡單。我從來沒有后悔選擇成為一名科學家。對我來說，作為一名科學家的樂趣之一，是有幸與來自世界各地的人一起工作。這種在全球許多地方都有朋友的感覺真好。

我還認為，對科學家來說，善于團隊協(xié)作非常重要。多年來，我一直領導著幾個研究小組，我發(fā)現(xiàn)即使只有一個人與團隊協(xié)作較差，整個團隊都會受到負面影響。作為團隊的一員，你應該和同事相處融洽，并樂意和他們一起工作。因此，要確保與合適的人搭檔，并享受日常的互動。

HABITABLE PLANET 宜居行星

滿足生命體生存必須條件的行星。

SPECTRAL LINE 光譜線

一條特定波長的光線，由原子吸收或發(fā)射出來。

DOPPLER EFFECT 多普勒效應

一束波的測量波長（頻率）隨著其源頭朝向或遠離觀察者而改變的物理效應。

CROSS-CORRELATION TECHNIQUE 互相關技術

一種利用多普勒效應對來自遙遠恒星的光譜線的影響來探測太陽系外行星的方法。

SPECTROMETER 光譜儀

一種用來檢測和分析光譜的設備，我們使用它來分析來自系外恒星和行星的光。

DOPPLER VELOCITY 多普勒速度

近軌行星的存在引發(fā)的恒星速度變化。

EXOPLANET 系外行星 

位于太陽系之外的行星。

Michel Mayor 米歇爾·馬約爾

Cross-correlation technique 互相關技術

La Silla Observatory 拉西拉天文臺

51 Pegasi b 飛馬座51b

Didier Queloz 迪迪?！た迤?/span>

planetary migration 行星遷移

[1]. Mayor, M. 2020. Nobel lecture: plurality of worlds in the cosmos: a dream of antiquity, a modern reality of astrophysics. Rev. Mod. Phys. 92:030502. Available online at: https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.92.030502

[2]. Baranne, A., Mayor, M., and Poncet J. L. 1979. Coravel-a new tool for radial velocity measurement. Vist. Astron. 23:279–316. doi: 10.1016/0083-6656(79)90016-3

[3]. Mayor, M., and Queloz, D. 1995. A Jupiter-mass companion to a solar-type star. Nature 378:355–9.

[4]. Schwieterman, E. W., Kiang, N. Y., Parenteau, M. N., Harman, C. E., DasSarma, S.,Fisher, T. M., et al. 2018. Exoplanet biosignatures: a review of remotely detectable signs of life. Astrobiology. 18:663–708. doi: 10.1089/ast.2017.1729

致謝：

感謝Noa Segev的采訪并參與本文的撰寫。感謝Sharon Amlani提供的圖1、圖2、圖3C。