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一颗肉眼能看到的星星,怎就引出了一个诺贝尔物理学奖?

麦耶与奎洛兹的工作首次证明了“径向速度法”是可以用来搜寻系外行星的。

麦耶与奎洛兹的工作首次证明了“径向速度法”是可以用来搜寻系外行星的。

北京时间2019年10月8日晚间,2019年度的诺贝尔物理学奖公布。今年的物理诺奖被分为两部分:著名宇宙学家吉姆·皮伯斯(James Peebles,1935-)得到其中一半;著名“系外行星”专家米歇尔·麦耶(Michel Mayor,1942-)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz,1966-)分享另外一半。

2019年诺贝尔物理学奖得主 | 诺奖官网

这个消息出来后,很多天文圈子里的人觉得有些惊讶,因为宇宙学和系外行星是两个很不相同的领域。不过,我们可以这么想:宇宙学告诉我们从哪里来,系外行星科学告诉我们可以到哪里去:以后地球不适应生存了,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摆动,然后根据摆动的速度大小确定出这颗星星周围有一颗类似于木星的行星在绕着这颗星转动——就像我们的地球绕着太阳转动。

让麦耶与奎洛兹获得诺贝尔奖的那颗星星,名为“飞马座51”(51 Pegasi),在天空中位于仙女座(Andromeda)下方的飞马座(Pegasus)里。它距离地球51光年,意味着以每秒30万千米的速度跑,需要跑51年才可以到达这颗星。

“飞马座51”是5等星。人眼能够看到的最暗星是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,到一个没有灯光污染的地方,不借助望远镜就可以看到飞马座与仙女座的4颗明亮星星构成的一个四边形,四边形右边那颗小星星就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”,他们那时候可没有望远镜。

图中红圈内部的黑点就是飞马座51,旁边所有光点也都是恒星 | Wikipedia

想想看,你在适当的条件下抬头就可以用肉眼看到的这颗星星,居然也有一个类似于木星的行星绕着它转,这是不是很神奇?它居然可以让人拿到诺贝尔奖,是不是很激动?

在感到神奇与激动之后,你也许也想知道,为什么麦耶与奎洛兹看星星看出了个诺贝尔奖?他们给出那个结果的原理是什么?他们发现的这颗行星是人类发现的第一颗系外行星吗?还有多少与这个话题有关的秘密?

系外行星的早期探索

人类早已从哲学或者宗教角度猜测宇宙中有大量类似于地球与太阳的系统,当时日心说尚未正式建立,地球被视为中心,太阳被视为绕着地球运转的一颗火球。宗教徒与哲学家猜测宇宙中有很多“世界”,每个世界都有太阳绕着它们转。

在哥白尼(Nikolaj Kopernik,1473-1543)系统建立日心说之后,第一个从科学角度猜测有“太阳系外的行星”的学者是布鲁诺(Giordano Bruno,1548-1600)。他于1584年提出:天上的那些基本不动的星星——“恒星”——都是类似于太阳的天体,它们周围也有类似于地球的行星围绕它们转动,这些行星自然就是太阳系外的行星,简称“系外行星”。

围绕恒星运转的行星,反射恒星光,我们可以看到太阳系内的行星,就是因为它们反射了太阳光。如果一颗遥远的恒星周围有行星,它反射恒星的光,我们似乎可以看到它们。

但实际上,要看到恒星附近的行星,是非常困难的,因为行星反射的光远远暗于恒星自身发出的光,就像在几万千米之外看萤火虫在熊熊烈火旁边飞舞,我们即使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寻到系外行星。

捕猎系外行星:观测恒星颜色与亮度的变化

1952年,著名的恒星物理学家奥托·斯特鲁维(Otto Struve,1897 -1963)首次建议:气态巨行星会拽动恒星,使其颜色发生有规律的变化,可以据此计算出恒星朝着我们地球的运动速度——径向速度;而且气态巨行星可能会有规律地遮挡一部分传播到地球上的恒星光。斯特鲁维认为,可以用上面的两个效应来判断远处恒星周围是否有行星。斯特鲁维的两个想法有何依据?

首先,行星围绕恒星运动时,恒星自身其实也在动,只是因为恒星质量比行星大得多,因此运动不明显,我们就忽略恒星的运动了。但在某些情况下,这样的运动是不可忽略的。比如,当行星质量很大而恒星质量比较小的时候,恒星的运动就比较显著,明显地与行星绕着共同的中心旋转。

恒星会拽动行星,行星也会拽动恒星,二者绕着一个共同的点(质心)公转 | Wikipedia

恒星自身在发光,它们自身的这种运动,会引起恒星发出的光“变色”:当恒星朝着我们的方向运动时,光会变得偏蓝;当这个恒星远离我们运动时,光会变得偏红。这就是光的“多普勒效应”。根据这个效应的显著程度,可以计算相应的运动速度的大小。这就是探测系外行星的“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,时而远离我们,时而靠近我们,它们发出的光时而偏蓝,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,这是很容易理解的。比如我们熟悉的日食,就是因为月球恰好挡在了地球与太阳的中间,把一部分甚至全部阳光遮挡住所导致的;水星或者金星有时候也会恰好挡在地球与太阳之间,在太阳的圆面上形成小小的黑点,这就是“水星凌日”现象与“金星凌日”现象。

同样道理,如果一颗系外行星在围绕它的母星运动的时候会“周期性地”挡在恒星与地球之间,就形成了“凌星”现象。虽然看不到那颗恒星上出现的黑点,但依然可以用精密的仪器测出恒星亮度变暗的程度。这就是探测系外行星的“凌星法”。

凌星法的原理:行星遮挡恒星发向地球的光,导致恒星亮度降低 | https://www.google.com/amp/s/platomission.com/2018/05/21/the-transit-method/amp/

石破天惊:首次探测到围绕另一个太阳的行星

1995年,麦耶与奎洛兹在《自然》(Nature)杂志发表了一篇论文,他们宣布,通过对过去15年的持续观测得到的数据进行分析,他们发现了一些恒星的颜色出现有规律的变化,据此可以推断出它们在重复摆动。

那一年,麦耶53岁;奎洛兹29岁,是麦耶指导的博士研究生。麦耶早在此前十几年就已经在法国普罗旺斯天文台设立了望远镜与分解星光的光谱仪,持续观测并改进数据处理技术,终于可以探测到十几米以内的恒星摆动速度导致的光的“变色”。

麦耶与奎洛兹发表在《自然》(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,表现出了最确定的摆动特征,速度最大时大约是50米每秒,每隔4.23天重复一次变化。这意味着这颗恒星周围确实存在一颗行星,它每4.23天转一圈。他们将这个行星称为“飞马51 b”(“51 Pegasi b”)。此后,在恒星名称后面加b、c、d……来命名恒星周围的行星,成为流传至今的惯例。

麦耶与奎洛兹在论文中给出的恒星的摆动速度图,有规律的摆动,证明这颗恒星周围存在一颗行星

根据麦耶与奎洛兹的分析与计算,这颗行星的质量至少是我们太阳系内的木星的0.47倍,它所围绕的那颗恒星是一颗类似于太阳的恒星。这颗行星与恒星的距离大约是800万千米,大约是太阳与地球距离的0.05倍。

但这并不是第一颗被发现的系外行星。1992年,就已经有人首次发现了系外行星,奇特的是,这颗系外行星围绕编号为“PSR B1257+12”的中子星运动。中子星的质量和太阳差不多,但半径只有太阳的7万分之一,大小只是一个小城市的大小,亮度远低于太阳。我们可以求出生活在这样一颗行星上的人(如果有的话)在抬头看天空中的中子星时的心理阴影面积。

麦耶与奎洛兹所发现的系外行星是围绕一颗类似于太阳的恒星运转的系外行星,这也是人类发现的第一颗围绕“类太阳”恒星运转的行星。说飞马座51这颗星类似太阳,到底有多类似呢?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,温度与太阳温度几乎完全相等,年龄大约是61-81亿年,是太阳的1.32到1.76倍。

虽然围绕飞马座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依然是一个巨大的飞跃。

更重要的是,麦耶与奎洛兹的工作首次证明“径向速度法”是可以用来搜寻系外行星的。此后一直到现在,从“变色龙”恒星的变色规律推断出速度,进而推算出系外行星的质量的方法(径向速度法)就一直是搜寻或交叉验证系外行星的重要方法。这就是麦耶与奎洛兹有资格获得诺奖的原因。

系外行星科学:一门迅速发展的学科

这次麦耶与奎洛兹获奖,很多人并不意外——虽然觉得与宇宙学家放一起领奖有些奇怪,因为系外行星科学在过去20多年获得了迅猛的发展,成为天文领域的超级新贵。

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)太空望远镜升空并运行之后,被发现的系外行星的数量猛然增长:在开普勒近10年的运行期内,它用“凌星法”发现了几千颗系外行星,其中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究。截至2019年10月9日,开普勒望远镜共发现2734 个最终被确认的系外行星,另外还发现了3312个系外行星候选体。被确认的系外行星个数还在不断变化,因为后面会有更多候选体被确定为真正的系外行星。

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,开展任务。TESS至今为止已经发现了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正的系外行星。如果将来系外行星领域还会得到诺奖,开普勒望远镜的主要负责人是有资格获奖的。

地面上使用“凌星法”发现系外行星的代表是匈牙利自动望远镜网络(HATNet),它于1999年启动测试, 2001年完全运转,至今发现的系外行星超过了100个。

除了开普勒、TESS与HATNet这些使用“凌星法”的望远镜之外,还有使用径向速度法的“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使用的第一代搜寻仪器更加灵敏。至今为止,HARPS发现的系外行星的数目已经超过100个。

其他多个用于探测系外行星的仪器还有多个,使用的方法除了以上的两大方法之外,还使用了“直接成像法”“微引力透镜法”,等等。其中,直接成像法使用特制挡板遮住恒星的光,因此可以直接拍下恒星周围的行星。

用508厘米口径的海尔(Hale)望远镜直接拍出的围绕恒星HR 8799运转的三个系外行星的像。恒星发出的光已经被冕仪遮挡,用绿色叉表示 | NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory

过去二十多年发现的系外行星形态各异:有的是温度超过一千度的“热木星”,有的类似于海王星,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,有的与它们的母星距离非常近,仅几天就可以公转一圈。对这些行星的深入研究,大大推进了人类对行星系统形成与演化机制的认识。那些拥有行星的恒星也形态各异,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比例。

人们最喜欢的系外行星当然是自身类似地球且围绕在类似太阳的恒星周围的那些。搜寻这类系统,也是将来这个领域努力的方向之一。

结 语

今年的诺贝尔物理学奖对系外行星的两位先驱的肯定,也是对系外行星科学的一个肯定。这个活跃的学科在过去二十多年迅猛发展,也将在未来持续发展。现在系外行星的一些专家希望能够让将来的光谱仪探测到恒星低于每秒1米以下的运动速度。

我们希望将来可以搜寻到距离地球足够近的类似地球的宜居的的系外行星,虽然最近的系外行星距离我们也有好几个光年。飞向宇宙深处,是人类的梦想之一。

祝贺麦耶与奎洛兹(以及皮伯斯),祝贺所有从事行星科学研究的天文学家,也祝贺又斩获诺奖的整个天文学界。最后,祝愿仰望星空的读者中有人能够在将来凭借自己对星空的探索而获得这项殊荣。

撰文 | 王善钦

作者简介

王善钦,2018年获得南京大学天文学博士学位,2016-2018年访问加州大学伯克利分校,主要研究超新星爆发等现象,业余也研究科学史。

《返朴》,科学家领航的好科普。国际著名物理学家文小刚与生物学家颜宁共同出任总编辑,与数十位不同领域一流学者组成的编委会一起,与你共同求索。关注《返朴》参与更多讨论。二次转载或合作请联系fanpusci@163.com。

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