一颗肉眼能看到的星星，怎就引出了一个诺贝尔物理学奖？

迈尔和奎[db:标签]��兹的工作首次证明了“径向速度法”可以用来寻找系外行星。

写作|王善勤

北京时间2019年10月8日晚，2019年诺贝尔物理学奖将揭晓。今年的诺贝尔物理学奖分为两部分:著名宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯(1935-)获得了其中的一半；著名的“太阳系外行星”专家米歇尔·马约尔(1942-)和迪迪尔·奎罗兹(1966-)分享另一半。“2019年诺贝尔物理学奖得主|诺贝尔奖官方网站”的消息传出后，天文学界的许多人感到有点惊讶，因为宇宙学和系外行星是两个非常不同的领域。然而，我们可以这样想:宇宙学告诉我们从哪里来，外星球科学告诉我们去哪里:当地球不适合生存时，我们可以考虑搬到“外星球”——“外星球”——。

迈耶和奎罗兹获奖是因为他们发现天空中有一颗恒星在摆动，然后根据摆动的速度，他们确定一颗类似木星的行星正在绕着这颗恒星——旋转，就像我们的地球绕着太阳旋转一样。

给麦尔和奎罗兹颁发诺贝尔奖的那颗星叫做飞马座51，它位于天空仙女座下方的飞马座。它距离地球51光年，这意味着它需要51年才能以每秒30万公里的速度到达这颗恒星。

“飞马座51”是一颗五等星。人眼可见的最暗的恒星是第六颗恒星，第五颗恒星的亮度是第六颗恒星的2.5倍。所以你只需要在一个晴朗的秋夜去一个没有光污染的地方，不用望远镜就可以看到由飞马座和仙女座四颗明亮的恒星组成的四边形。四边形右边的小星星是诺贝尔奖得主——飞马座51，也可以用肉眼看到。这不是我想当然的:古代中国人称飞马座51为“增加一个房间”，当时他们没有望远镜。

图中红色圆圈内的黑点是飞马座51，旁边的所有光点都是星星|维基百科

。想想这颗你可以用肉眼看到的恒星，如果你在适当的条件下抬头看，它周围实际上有一颗类似木星的行星，是不是很神奇？它能让人们获得诺贝尔奖难道不令人兴奋吗？

在感到不可思议和兴奋之后，你可能还想知道为什么迈耶和奎罗兹在看星星时会获得诺贝尔奖。他们给出那个结果的原则是什么？他们发现的行星是人类发现的第一颗太阳系外行星吗？这个话题有多少秘密？

系外行星的早期探索

人类长期以来从哲学或宗教角度推测宇宙中有大量类似地球和太阳的系统。当时，太阳中心主义还没有正式确立，地球被视为中心，太阳被视为围绕地球运行的火球。宗教和哲学家推测宇宙中有许多“世界”，每个世界都有太阳围绕着它们旋转。

Bruno(乔尔丹诺·布鲁诺，1548-1600)是哥白尼建立日心说后第一个从科学角度推测“太阳系外行星”的学者(尼古拉·科珀尼克，1473-1543)。他在1584年提出，天空中基本静止的恒星——“恒星”——是类似太阳的天体，它们周围有类似地球的行星。这些行星自然是系外行星，或“系外行星”。

环绕恒星运行的行星反射恒星光。我们可以看到太阳系中的行星，因为它们反射阳光。如果在一颗遥远的恒星周围有行星反射恒星的光，我们似乎能够看到它们。

但事实上，在恒星附近很难看到行星，因为行星反射的光比恒星本身发出的光暗得多，就像看萤火虫在数万公里外熊熊燃烧的火焰旁飞翔一样。即使我们用双筒望远镜看火，也很难看到萤火虫。这使得人类不可能长时间寻找系外行星。

捕猎系外行星：观测恒星颜色与亮度的变化

Bruno(乔尔丹诺·布鲁诺，1548-1600)是哥白尼建立日心说后第一个从科学角度推测“太阳系外行星”的学者(尼古拉·科珀尼克，1473-1543)。他在1584年提出，天空中基本静止的恒星——“恒星”——是类似太阳的天体，它们周围有类似地球的行星。这些行星自然是系外行星，或“系外行星”。

1952年，著名的恒星物理学家奥托·斯特鲁维(1897 -1963)第一次提出气体巨行星会拖动恒星并使它们的颜色有规律地变化。基于此，恒星向我们地球运动的径向速度可以计算为——。此外，气态巨行星可能会有规律地阻挡一些恒星光向地球传播。斯特鲁维认为，上述两种效应可以用来判断遥远恒星周围是否有行星。斯特鲁维两个想法的基础是什么？

首先，当行星围绕恒星运动时，恒星本身实际上也在运动，只是因为恒星比行星重得多，所以运动不明显，所以我们忽略了恒星的运动。但在某些情况下，这种运动是不可忽视的。例如，当行星的质量非常大而恒星的质量相对较小时，恒星的运动相对显著，显然是围绕着与行星相同的中心旋转。

恒星会拖动行星，行星会拖动恒星。它们围绕一个公共点(质心)运行。|维基百科

星星自己发光。它们自己的运动会导致恒星发出的光“改变颜色”:当恒星向我们的方向运动时，光会变成蓝色。当这颗星离开我们时，光线会变成红色。这就是光的“多普勒效应”。根据这种效应的重要性，可以计算出相应的运动速度。这是探测系外行星的“径向速度法”。

径向速度法原理:恒星被行星的引力吸引，围绕一个固定点旋转，有时远离我们，有时靠近我们。它们发出的光是蓝色的，有时是红色的，并且来回循环。| homepage.divms.uiowa.edu

至于阻挡部分恒星光线的行星，很容易理解。例如，我们所熟悉的日食是由月亮挡住了地球和太阳之间的中间，挡住了部分或全部住宅的阳光造成的。水星或金星有时会挡在地球和太阳之间，在太阳的圆形表面形成小黑点。这就是“水星凌日”现象和“金星凌日”现象。

同样，如果一颗系外行星在围绕其母星运动时“周期性地”阻挡在恒星和地球之间，就形成了“凌星”现象。虽然那颗恒星上的黑点看不见，但它的亮度仍然可以用精密仪器测量。这是探测系外行星的“传输方法”。

transit method的原理:行星阻挡从恒星到地球的光，导致恒星亮度下降| https://www . Google . com/amp/s/plate insulation . 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。迈尔和奎罗兹在《自然》杂志上发表了一篇论文。他们宣布，通过分析从过去15年的连续观测中获得的数据，他们发现一些恒星的颜色有规律地变化，由此他们可以推断它们在反复摇摆。

那一年，迈耶53岁；29岁的奎罗兹是迈尔指导下的博士生。十多年前，梅尔已经在法国普罗旺斯天文台安装了望远镜和分光计来分解星光。他不断观察和改进数据处理技术，最终能够探测到十米内恒星摆动速度引起的光的“颜色变化”。

Mayer和Queloz在《自然》(自然)中发表了部分论文

在他们观察到的恒星中，一颗名为“51 Pegasi”的恒星表现出最明确的摆动特征，最大速度约为每秒50米，每4.23天重复一次变化。这意味着这颗恒星周围确实有一颗行星，每4.23天旋转一次。他们称之为飞马座51b行星。从那以后，在恒星的名字中加上B、C、D …来命名它们周围的行星已经成为一种普遍的做法。

迈耶和奎洛兹在论文中给出的这颗恒星的摆动速度图显示了有规律的摆动，这证明这颗恒星周围有一颗行星。

根据迈耶和奎罗兹的分析和计算，这颗行星的质量至少是我们太阳系木星质量的0.47倍，它周围的恒星是一颗类似太阳的恒星。这颗行星和这颗恒星之间的距离约为800万公里，大约是太阳和地球之间距离的0.05倍。

但这不是第一个被发现的太阳系外行星。1992年，一颗系外行星首次被发现。奇怪的是，这颗系外行星围绕着一颗编号为“PSR B1257 12”的中子星运行。中子星的质量和太阳一样，但是它们的半径只有太阳的七分之一，是一个小城市的大小，亮度比太阳低得多。当我们仰望天空中的中子星时，我们可以发现生活在这样一个星球上的人(如果有的话)的心理阴影区域。

麦尔和奎罗兹发现的系外行星是围绕一颗类太阳恒星运行的系外行星，也是人类发现的第一颗围绕“类太阳”恒星运行的行星。飞马座51和太阳有多相似？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，温度几乎与太阳完全相同，年龄约为61-81亿年，是太阳的1.32-1.76倍。

尽管围绕飞马座51运行的行星是一颗气体巨行星，而不是像地球一样的岩石行星，迈耶和奎洛兹已经向前迈出了一大步。

更重要的是，麦尔和奎罗兹的工作首次证明了“径向速度法”可以用来寻找系外行星。从那时到现在，从变色龙恒星的变色规律推断速度并进一步推断外行星质量的方法(径向速度法)一直是寻找或交叉检验外行星的重要方法。这就是迈尔和奎罗斯有资格获得诺贝尔奖的原因。

系外行星科学：一门迅速发展的学科

这一次迈耶和奎罗兹获奖，许多人并不惊讶——，尽管他们认为与宇宙学家一起获奖很奇怪，因为太阳系外行星科学在过去20年里发展迅速，已经成为天文学的超级新贵。

在迈耶和奎罗兹之后，更多的系外行星被发现。特别是在开普勒太空望远镜于2009年发射并投入运行后，发现的系外行星数量突然增加:在开普勒近10年的运行期内，它利用“传输法”(transit method)发现了数以千计的系外行星，其中一些稍大于地球的岩石行星。所有这些都极大地促进了系外行星的研究。截至2019年10月9日，开普勒已经发现了2734颗最终确认的外行星和3312颗候选外行星。已确认的系外行星数量仍在变化，因为更多的候选行星将被确认为真正的系外行星。

开普勒望远镜于2018年10月30日退役，“凌星系外的行星轨道卫星”(TESS)刚刚发射进入轨道，不久后执行任务。迄今为止，苔丝已经发现了29颗系外行星和794颗候选系外行星。这些候选行星中的一些将在未来被证明是真正的系外行星。如果将来在系外行星领域有诺贝尔奖，开普勒望远镜的主要负责人有资格获奖。

使用“凌星方法”在地面发现的太阳系外行星的代表是匈牙利的自动望远镜网络(HATNet)，该网络于1999年开始测试，并于2001年全面运行。迄今为止，已经发现了100多颗太阳系外行星。

除了开普勒(Kepler)、苔丝(TESS)和哈特内(HATNet)等使用“凌星法”的望远镜外，还有使用径向速度法的“高精度径向速度行星搜索器”(HARPS)。这是第二代这样的仪器，比迈耶和奎罗兹使用的第一代搜索仪器更灵敏。迄今为止，HARPS已经发现了100多颗系外行星。

还有许多其他仪器用来探测系外行星。除了上述两种方法之外，还使用了“直接成像法”和“重力微传感法”。其中，直接成像法(direct imaging method)使用一种特殊的挡板阻挡恒星的光线，因此可以直接拍摄恒星周围的行星。

由508厘米黑尔望远镜直接拍摄的三颗围绕恒星HR 8799运行的系外行星的图像。恒星发出的光被日冕仪器挡住了，日冕仪器用绿色十字表示。|美国宇航局/JPL-加州理工学院/帕洛玛天文台

在过去20年中发现的系外行星有不同的形状:有些是温度超过1000度的“热木星”，有些类似海王星，有些是比地球稍大的岩石行星——“超级地球”。这些系外行星中的一些离它们的母星非常近，可以在几天内完成一次公转。对这些行星的深入研究极大地促进了人类对行星系统形成和演化机制的理解。有行星的恒星也有不同的形状，其中许多比太阳小得多、暗得多，而像太阳这样的恒星只占很小的比例。

当然，人们最喜欢的系外行星是那些类似地球的行星和围绕着类似太阳的恒星。寻找这样的系统也是该领域未来努力的方向之一。

结 语

今年的诺贝尔物理学奖是对系外行星两位先驱的肯定，也是对系外行星科学的肯定。这一活跃的学科在过去20年中发展迅速，并将在未来继续发展。一些系外行星专家现在希望未来的光谱仪能够探测到速度低于每秒1米的恒星。

我们希望将来能找到离地球足够近的可居住的外星球，尽管最近的外星球离地球还有几光年远。飞入宇宙深处是人类的梦想之一。

祝贺迈耶和奎洛兹(和皮斯)，祝贺所有从事行星科学研究的天文学家，祝贺整个天文学界获得了另一项诺贝尔奖。最后，我希望一些仰望星空的读者能够通过他们对星空的探索赢得这一荣誉。

作者简介

王善勤，2018年在南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问了加州大学伯克利分校，主要研究超新星爆炸等现象，业余时间还研究科学史。

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