开启通往新世界的大门——2019年诺贝尔物理学奖表彰系外行星探测领域重大突破 | 详解诺奖
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什么？《天文原来是这样》押中今年诺奖了？！
XXXV：系外行星"名人堂"（上）
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2019年诺贝尔物理学奖颁给了天体物理学家詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）、米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）。前者获奖是因为他在宇宙学上的理论发展，而后两位则是在系外行星领域所做出的突破性发现。这是系外行星相关研究得到的第一个诺奖。
来源/诺贝尔奖官网
我们很早就已经知道太阳系有很多行星，那么放眼整个银河系乃至整个宇宙，存在着数不胜数的恒星，它们是否也拥有自己的行星呢？说没有，谁信啊！那么如何找到它们从而证明“太阳系”的普遍性呢？
事实上人类探索系外行星的历史可以追溯到百年之前，源自于一个有点特别的恒星——巴纳德星，这是迄今为止已知自行最大的恒星，由美国天文学家爱德华·爱默生·巴纳德于1916年9月发现。
自行大说明它离我们很近，确实通过视差得知只有6光年远，因此天文学家从来都没有放弃对它的观测。天文学家彼德·范·德·坎普从1938年到1962年连续对巴纳德星进行了照相观测，他发现巴纳德星有着奇怪的摆动现象，因此认为巴纳德星存在一颗伴星，然而计算出来质量仅为木星的1.6倍，公转周期24年。显然，这样小的质量只能算是行星而非恒星。但是，其他天文学家对此提出质疑，甚至直到上世纪90年代哈勃望远镜上天，也没有获得有关巴纳德星周围行星的确凿证据。
范·德·坎普所使用的方法完全正确。如果一个恒星存在一个伴星，不管这个伴星是恒星还是行星，由于引力的作用，会导致主星存在一定程度的摆动，因为它们实际上是在绕着公共质心旋转。比如我们的月球也会引起地球的摆动，公共质心距离地心3700千米所有，但还在地球内部。在范·德·坎普之前，人们已经利用这种原理发现了天狼星的伴星。但问题在于行星的质量相较于恒星来说太小了，引起恒星的摆动幅度非常小，单纯光学摄影是根本无法观测到细微的移动，只能通过恒星光谱以及多普勒原理，观察光谱中的吸收线的位移测量视向速度，即恒星摆动过程中靠近或远离我们的速度。但即便如此，行星引力对恒星的影响还是微乎其微。例如木星引起太阳的视向速度只有大约12.7米/秒，地球引起太阳的视向速度更是只有0.09米/秒！
1993年，
曙光渐渐显露。
位于法国南部的上普罗旺斯天文台（Haute-Provence Observatory）1.93米口径反射望远镜上安装了一台名为“艾洛蒂”（ELODIE）的光谱仪，观测精度达到了当时领先水平，可以观测到恒星13m/s的视向速度，随后又改进到7m/s。当时正在日内瓦大学攻读博士学位的迪迪埃·奎洛兹师从米歇尔·马约尔利用这套设备开展了系外行星的搜寻工作。1995年10月6日，他们发现恒星飞马座51视向速度高达56米/秒！飞马座51是一颗G2型主序星，和太阳同一类型，质量仅比太阳大6%，直径大20%，表面温度5600K也跟太阳差不多。他们认为恒星的这种表现是受到一颗行星的影响。通过万有引力计算得出，这个行星的质量至少为木星的一半轨道半长径却只有0.053个天文单位，相当于水星轨道的14%，公转周期仅4.23天。这个行星简直就是贴着太阳在飞行。更为要命的是，它可能被恒星潮汐锁定，只有一面朝着恒星，因此天文学家估计行星的表面温度可以达到1000℃，如此高的气温可能让它的大气层膨胀到比木星还要大50%。这种行星后来被称为“热木星”。
这个发现可谓意义重大，这是真正意义上首次发现一个行星绕着主序星旋转（1990年2月9日波兰天文学家亚历山大·沃尔兹森通过阿雷西博射电望远镜发现室女座内一颗编号为编号为PSR B1257+12的毫秒脉冲星有颗行星，但脉冲星是中子星，不是真正意义上的恒星），在我们熟知的家园以外，还有其他的“太阳系”存在！不仅如此，这一发现也确定了我们有技术发现这些行星。
果然，此后不久天文学界就形成了多个团队相互竞争的格局，系外行星如同雨后春笋般冒出来，仅1996年便相继发现了6颗系外行星质量从木星的1/4到十几倍不等，其中不少还是热木星，使用的方法都是视向速度法。如今，我们已经发现了4100多颗系外行星，其中有近30%是通过视向速度发现的，而我们的观测精度也已经达到了0.7米/秒的水平，相当于人类步行速度的微弱摆动！所以说，米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹的发现为我们打开了新视界，系外行星探测的新领域正式开启，对认识和理解我们在宇宙中的位置有着重要的意义。