北京時間2019年10月8日，瑞典皇家科學院宣布將2019年諾貝爾物理學獎授予三位天體(ti) 物理學家：美國普林斯頓大學教授詹姆斯·皮布斯（James Peebles）、瑞士日內(nei) 瓦大學教授米歇爾·麥耶（Michel Mayor）和日內(nei) 瓦大學、劍橋大學教授迪迪爾·奎洛茲(zi) （Didier Queloz），以表彰他們(men) 為(wei) “理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置”做出的貢獻。這是2000年以來，諾貝爾物理學獎第6次垂青天體(ti) 物理領域相關(guan) 的研究成果。

法國上普羅旺斯天文台1.93米口徑望遠鏡| 圖源：OHP

發現

詹姆斯·皮布斯因“物理宇宙學的理論發現”獲得表彰，我們(men) 暫且按下不表，重點說說今年物理獎的另一項成果“發現了一顆圍繞太陽型恒星運行的係外行星”。如果說詹姆斯·皮布斯的物理宇宙學理論發現是指引天文學家走向宇宙的暗處，那麽(me) 米歇爾·麥耶和迪迪爾·奎洛茲(zi) 師徒二人則是打開了一扇通往太陽係外世界探索的明窗。

1995年10月6日，米歇爾·麥耶和迪迪爾·奎洛茲(zi) 公布了他們(men) 發現的第一顆環繞主序恒星飛馬座51（51 Pegasi）的係外行星：51 Pegasi b，它的公轉周期隻有4.23天，其中央恒星為(wei) 一顆與(yu) 太陽類似的G型恒星。他們(men) 利用法國南部上普羅旺斯天文台（Observatoire de Haute-Provence，OHP）一架口徑1.93米的望遠鏡觀測到其視向速度信號，證認了51 Pegasi b是一顆與(yu) 太陽係內(nei) 最大的行星木星相當的氣態巨行星，這項工作發表於(yu) 1995年10月的《自然》期刊，自此開啟了天文學與(yu) 行星科學的一場劃時代的革命。

溯源

人類對於(yu) 係外行星與(yu) 地外文明的探索源於(yu) 公元前4世紀亞(ya) 裏士多德提出的一個(ge) 哲學命題——“我們(men) 在宇宙中是否孤獨？”係外行星探索曆史始終伴隨著人類文明和科學的發展曆程。早在16世紀，哥白尼“日心說”的早期支持者——意大利哲學家喬(qiao) 達諾·布魯諾就提出了其他恒星與(yu) 太陽相似，也有行星相伴的觀點。18世紀，英國數學家和物理學家艾薩克·牛頓在《自然哲學的數學原理》一書(shu) 中也提到了類似的觀點。

1952年，俄裔美國天文學家奧托·斯特魯夫指出：係外行星可能比太陽係行星更接近它們(men) 的宿主恒星，並提出多普勒光譜測量和淩星法(Transit)可以探測到短周期軌道上的超級木星(Super-Jupiter)。

1992年1月9日，射電天文學家Aleksander Wolszczan和Dale Frail宣布發現了兩(liang) 顆圍繞脈衝(chong) 星 PSR 1257+12公轉的行星。這一發現得到了證實，並且被認為(wei) 是對係外行星的首次明確探測。

直至1995年，隨著高精度視向速度終端儀(yi) 器的研發和探測精度的不斷提升，第一顆熱木星51 Pegasi b被發現。恒星受到圍繞它公轉的行星的引力擾動，會(hui) 發生移動，通過對恒星這種移動的視向速度的監測，便可得出繞轉行星的相關(guan) 信息。51 Pegasi b是天文學家發現的第一顆圍繞主序恒星的係外行星。這一發現開創了現代係外行星探測新時代。

51 Pegasi視向速度測量。正值表示遠離我們(men) ，負值表示靠近我們(men) 。| 圖源：Nature

今天，係外行星的探測手段已從(cong) 早期的視向速度法(Radial Velocity)，發展為(wei) 淩星法(Transit)、天體(ti) 測量法(Astrometry)、直接成像法(Direct Imaging)、微引力透鏡法(Microlensing)及脈衝(chong) 星計時法(Pulsar Timing)等方法。

51 Pegasi 行星係統與(yu) 太陽係比較 | 圖源：NASA/JPL-Caltech

目前在銀河係中發現並確認的係外行星已超過4100多顆，特別是Kepler空間望遠鏡發現了超過2300多顆行星，這些行星大小不一形態各異，包括熱木星、亞(ya) 海王星、類地行星、超級地球等類型，與(yu) 我們(men) 所熟悉的太陽係大行星迥然不同。

各種類型的係外行星族群及對應探測方法 | 圖源：NASA

2019年諾貝爾物理學獎的桂冠讓更多人了解了這項偉(wei) 大的工作。

未來

未來，針對地外生命和宜居行星係統的搜索將成為(wei) 係外行星研究的前沿課題，特別是那些位於(yu) 類太陽型恒星的宜居帶、與(yu) 地球類似的所謂宜居行星是人類追尋係外行星探測的終極目標。

天文學家將行星係統中適合生命的行星軌道範圍稱為(wei) “宜居帶”。這個(ge) 範圍主要取決(jue) 於(yu) 中央恒星的類型和輻射強度，與(yu) 中央恒星相隔一段合適的距離，此處的行星表麵平均溫度能夠使液態水穩定存在，可能擁有與(yu) 地球類似的生命環境條件。

在我們(men) 太陽係，宜居帶大致分布在金星軌道到火星軌道之間，地球剛好在其中。2007年發現的Gliese 581c被認為(wei) 是人類發現的第一顆在宜居帶的係外類地行星。

然而，生命的穩定存在還有許多其它條件，如足夠長的恒星和行星壽命以供生命產(chan) 生、適宜的恒星光度、穩定的低離心率行星軌道和自轉傾(qing) 斜度、合適成分的行星大氣等。

找到了處於(yu) 宜居帶的係外類地行星又如何判斷它們(men) 是否適合生命存在呢？

這可以通過尋找行星大氣光譜中的“化學指紋”來判斷。行星本身不發光，而是反射中央恒星發出的光，同時產(chan) 生紅外輻射。若它具有大氣，則行星大氣會(hui) 吸收部分恒星輻射和行星本身的紅外輻射。

通過淩星法探測並比較恒星在被行星遮掩前後的光譜變化，即可得到行星大氣的化學成分信息；此外，科學家亦可直接觀測得到行星的可見光和紅外光譜。分析這些光譜後，可以知道大氣中是否有水、二氧化碳、甲烷、氧氣（或臭氧）等適合生命存在的重要化學成分，這些化學成分的組合被稱為(wei) “化學指紋”。未來的空間任務如JWST、ARIEL將在這方麵給出科學線索。

征途

我國天文學家利用南極冰穹A得天獨厚的天文觀測台址條件，通過一架50厘米口徑的南極巡天望遠鏡（AST）觀測，用淩星法發現了近100多個(ge) 係外行星的候選體(ti) ，有待進一步觀測認證。推進中的中國南極昆侖(lun) 站天文台也將地球質量大小的係外行星搜尋作為(wei) 主要科學目標之一。

中國科學院在“空間科學（二期）”戰略性先導科技專(zhuan) 項前瞻性布局了係外行星探測方向，期望通過搜尋發現太陽係近鄰類太陽恒星宜居帶的類地行星。科學家們(men) 積極推進“近鄰宜居行星巡天計劃”，希望通過發射一個(ge) 1.0米級口徑的空間望遠鏡，基於(yu) 高精度天體(ti) 測量和定位技術觀測距離地球32光年外100個(ge) 類太陽恒星，搜尋類地宜居行星。

我國載人空間站上也將搭載的高對比度係外行星成像儀(yi) ，利用直接成像法來研究係外行星大氣，提供係外生命的可能線索。此外，中國正在積極參與(yu) 建設的國際合作項目30米望遠鏡（TMT）和平方公裏陣（SKA）均把係外行星的搜尋作為(wei) 重要研究目標之一。

我們(men) 有理由相信，人類最終將能夠回答“我們(men) 在宇宙中是否孤獨？”這一古老的問題，並深刻了解地球乃至人類在宇宙中的位置。“我們(men) 的征途是星辰大海”，需要“攜手探索浩瀚宇宙 共創人類美好未來”的情懷。

作者簡介

季江徽：中國科學院紫金山天文台“行星科學與(yu) 深空探測實驗室”首席研究員，中國科學院行星科學重點實驗室主任。研究方向：太陽係小天體(ti) 動力學、係外行星係統形成與(yu) 動力演化、深空探測軌道和技術等。


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