米歇尔 · 马约尔（Michel Mayor）发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星，并对我们理解宇宙演化和地球在宇宙中的位置做出了很多贡献。他与迪迪埃 · 奎洛兹（Didier Queloz）教授共同获得了 2019 年诺贝尔物理学奖。

你能想象在宇宙的某个地方或许存在着其他的生命形式吗？起初, 这种想法似乎有点异想天开或难以理解。但是, 作为一名天体物理学家, 我可以告诉你, 这实际上是很有可能的。为什么呢？因为宇宙中有非常多的行星, 数量多得难以想象, 其中一些行星的条件可能很适合形成生命。在深入探讨宇宙中其他生命的可能性之前, 先来看看我们是如何发现太阳系之外的行星的吧。

如何探索宜居行星

在寻找可能承载我们所知的生命形式的宜居行星时, 我们要找的是与地球相似的行星。一个必要条件就是, 这些行星应该围绕一颗能够辐射热量和光线的恒星运行。这颗恒星能为生命的发展提供合适的温度和能量产生的条件, 就像太阳对地球的作用一样。但是, 当一颗暗淡的行星（如地球）旁边有一颗明亮的恒星（如太阳）时, 科学家并不能直接探测到该行星, 因为行星反射的光线被明亮恒星的光线所掩盖。例如, 太阳的亮度比围绕它运行的每一颗行星所反射的光都要高十亿倍。因此, 我们需要开发间接的方法来探测行星的存在。其中一种方法涉及到检测这颗行星对附近恒星的运动速度造成的变化。要理解这种方法, 我们必须熟悉两个概念——光谱线和多普勒效应。

光谱线

你可能知道, 每个原子的能级都与其原子核周围电子的运动相对应。当光穿过一个原子时, 与原子能级相对应的特定波长的光被原子吸收, 接着原子又会自发地发射出光, 但其频率与被吸收光的频率稍有不同（即发生了偏移）。每种原子（铁、氢、钙等）的偏移都是特定的。这意味着, 如果我们能够检测到与原子相互作用后的发射光, 分析它的波长, 就能得到该原子的特定 "指纹" 。 光谱在与原子相互作用之前是连续的, 而探测到的光谱上可以看到特定波长的减弱（暗线）或增强（亮线）。这些线被称为光谱线¹。

遥远行星的光谱线

每颗恒星周围的大气层中都有特定的原子组合。所以, 通过探测穿过恒星大气层的光, 我们就能得到它独特的谱线指纹, 这是由恒星大气层中各种各样的原子产生的。我们可以利用这些光谱线上的微小偏移来推断出围绕这颗恒星运行的行星的存在。这些小的偏移是由多普勒效应引起的。

多普勒效应

你有没有注意到, 当一辆救护车鸣笛向你驶来时, 警报器的音调会发生变化——它朝你开来的时候音调变得更高、更尖锐, 离开时音调变得更低、更柔和？实际上, 警报器发出的声音并没有改变。变化的是当救护车接近你时, 每个声波到达你的时间比前一个声波要短, 导致了声波频率的增加。这使得警笛声在接近你时变得急促, 在远离你时变得平缓²（图 1）。这种观察到的频率变化称为多普勒效应。

任何类型的波都遵循这一规律, 包括光。因此, 当像恒星这样的发光物体向我们移动时, 它的光谱将会向短波长、高频率移动（称为蓝移）, 而当它远离我们时, 光谱会向长波长、低频率移动（称为红移）。而当行星围绕着恒星运行时, 行星的引力会影响恒星的运动——恒星沿着由行星轨道引起的椭圆轨道运动, 所以恒星有时候向地球移动, 有时候远离地球。恒星相对于地球运动方向的变化会引起恒星光谱线的变化³。总的来说, 这意味着我们可以通过测量恒星光谱线的多普勒频移, 来间接推断出围绕恒星运行的行星的存在（图 2）。

互相关技术

使用多普勒效应来探测看不见的行星的存在, 是一个很大的挑战。由系外行星引起的恒星速度的变化仅有几米每秒, 甚至更小。这样微小的变化意味着, 恒星光谱线的多普勒频移还不到其发射波长的十亿分之一（1/1,000,000,000）[1]。这是一个非常小的变化, 仅靠一条光谱线的多普勒频移是无法精确测量的。

那么, 我们用什么办法提高这一测量的精度呢？我们使用了另一个巧妙的技巧, 称为互相关技术。该技术在 20 世纪 80 年代到 90 年代得到了优化, 在我们探测太阳系外行星的工作中发挥了重要作用。

这一技术的关键思想是, 在对感兴趣的恒星进行测量时, 我们不是只关注一条谱线的偏移, 而是关注多普勒效应导致的所有谱线的集体偏移。为此, 我们使用了称为 CORAVEL 光谱仪的设备（图 3A）[1, 2]。CORAVEL光谱仪中有一块带孔的平板（图 3B）, 这些孔正好位于我们预期来自特定恒星的光线中出现暗谱线的位置。所有通过这些孔的透射光都被送到一台探测器上。当恒星的暗谱线正好位于孔的前面时, 我们检测到的透射光最少（图 3C, 左）。然而, 如果由于系外行星影响了恒星的运动而产生了多普勒频移, 那么相对于板上的孔的位置, 成千上万条光谱线的位置将同时移动, 通过孔的透射光量将会增加（图 3C, 右）。在发生这种多普勒频移后, 我们需要移动平板, 使孔再次与暗谱线对齐, 这样探测器检测到的透射光又会变到最少。

因此, 通过测量恒星在其轨道上两个位置的吸收光谱线, 并移动平板使两次检测到的光量都变到最小, 我们就知道平板在第一个最小值（恒星的第一个位置）和第二个最小值（恒星的第二个位置）之间移动了多少。正是由于系外行星的存在, 导致恒星光谱线发生多普勒频移, 我们才观察到了平板在两个暗谱之间的移动。通过计算恒星谱线的多普勒频移, 结合其他测量, 我们便可以了解探测到的系外行星的特征。

互相关技术让我们能够把来自所有单独光谱线的多普勒频移信息聚合到一个单一物理量中。这个物理量称为多普勒速度, 因为它能表示由近轨行星的存在而导致的恒星速度变化。利用多普勒速度, 结合其他的一些测量, 我们不仅可以推断出行星的存在, 还可以得知它的质量、大小, 以及围绕恒星运行一周所需的时间。1995 年, 我和同事迪迪埃 ⋅ 奎洛兹（Didier Queloz）利用这种方法发现了飞马座 51b——这是人类发现的第一颗系外行星[3]。

飞马座51B: 人类发现的第一颗围绕类太阳恒星运动的系外行星

飞马座 51b （图 4A）是一颗距离地球约 50 光年（约 47 万亿公里！）的行星, 位于银河系的飞马座⁴。 它的温度很高, 约有 1000 摄氏度。它围绕着一颗名为飞马座 51 的类太阳恒星运行, 公转一周大约 4.2 天。飞马座 51b 主要由气体组成, 被归类为像木星一样的气态巨行星。由于它的轨道非常接近恒星, 它有时也被称为 ''热木星''。飞马座 51b 的质量比木星轻约 47%, 体积比木星大 50%。 飞马座 51 恒星比我们的太阳重约 11%, 体积大 23%。

正如前面提到的, 飞马座 51b 是人类发现的第一颗围绕恒星运行的系外行星。这颗恒星和系外行星本身就很有研究价值, 并且这个发现也给行星探测领域带来了两项突破性进展。

第一, 此前科学家并不确定, 在宇宙中除太阳系之外的地方是否还存在着围绕恒星运行的行星, 飞马座 51b 的发现证明这样的行星确实存在, 而且可以用互相关技术探测到。

第二, 它证明了一个叫做行星迁移的假设, 即随着时间的推移, 行星可以发生位移, 更靠近它们所环绕的恒星⁵。 对于天体物理学家来说, 这种与它们所环绕的恒星非常接近的巨行星非常具有吸引力, 因为它们可以更快地使用互相关技术被观察到。在发现飞马座 51b之前, 科学家认为巨行星的轨道周期不可能短于 10 年, 这意味着使用多普勒效应探测一颗行星需要 10 年的时间！但我们的发现表明, 这类行星的轨道周期可能短至几天, 只有预期的千分之一！这意味着一些系外行星可以在短短几天内探测到。

这两项突破都极大地促进了对更多围绕恒星运行的系外行星的探测。如今, 科学家已经发现了 5000 多颗这样的行星！这是朝着寻找宇宙中可能的生命迈出的重要一步。

宇宙中的生命

我们目前对生命的定义包括三个主要特征: 生命系统应该能够保护自身不受环境影响, 能与环境相互作用, 并将其信息传递给下一代。这种信息的传递是通过长长的原子和分子链（称为遗传物质, 或 DNA）实现的, 而这些物质非常脆弱。DNA 分子需要特定的温度和水分。这意味着, 如果一颗系外行星上存在生命, 它必须满足这些环境条件⁶。 这样一来, 找到这样一颗行星的可能性有多大？好吧, 既然宇宙中有这么多行星, 我们绝对可以肯定, 其中许多行星都有演化出生命的可能性。但是, 作为科学家, 我们并不满足于简单地说 ''是的, 很有可能'' ——我们想直接证明这点。

要发现其他行星上的生命, 最简单的方法似乎是向它们发射航天器, 四处观察并拍照。但是, 以我们目前的技术和对物理学的理解, 这是不可能的, 因为航天器到达这些非常遥远的行星要花太长时间, 耗费极多的能量⁷。 因此, 我们需要使用远程探测方法, 通过间接的测量和观察来判断某个星球上是否存在生命。例如, 可以使用光谱来分析系外行星大气中的化学成分。由于我们非常熟悉地球大气中的氧气（臭氧）、氮气、甲烷和二氧化碳等化学成分的谱线, 我们可以尝试在其他行星的大气中寻找类似的光谱⁸。 这种方法以及其他的研究方法, 虽然很有前途, 但非常复杂, 需要经过改进才能发挥作用。因此, 能否以及如何探测到系外行星上的生命这一重大问题, 对于像你们这样的下一代年轻科学家来说, 仍然是一个了不起的挑战！

给小读者们的建议

我相信, 要成为一名科学家, 你需要有很强的好奇心。科学不是一份 ''正常'' 的工作, 它不仅仅是为了挣钱。但是, 如果你对科学中的任何问题都充满好奇, 我相信成为一名科学家你会很开心——就是这么简单。我从来没有后悔选择成为一名科学家。对我来说, 作为一名科学家的乐趣之一, 是有幸与来自世界各地的人一起工作。这种在全球许多地方都有朋友的感觉真好。

我还认为, 对科学家来说, 善于团队协作非常重要。多年来, 我一直领导着几个研究小组, 我发现即使只有一个人与团队协作较差, 整个团队都会受到负面影响。作为团队的一员, 你应该和同事相处融洽, 并乐意和他们一起工作。因此, 要确保与合适的人搭档, 并享受日常的互动。

扩展阅读

• Michel Mayor, Nobel Prize in Physics 2019: Official interview (Nobel Prize).
• The 2019 Nobel Prize in Physics—The discovery of the first exoplanet (Nobel Prize).

词汇表

宜居行星 (Habitable Planet): ↑ 满足生命体生存必须条件的行星。

光谱线 (Spectral Line): ↑一条特定波长的光线, 由原子吸收或发射出来。

多普勒效应 (Doppler Effect): ↑一束波的测量波长（频率）随着其源头朝向或远离观察者而改变的物理效应。

互相关技术 (Cross-Correlation Technique): ↑一种利用多普勒效应对来自遥远恒星的光谱线的影响来探测太阳系外行星的方法。

光谱仪 (Spectrometer): ↑一种用来检测和分析光谱的设备, 我们使用它来分析来自系外恒星和行星的光。

多普勒速度 (Doppler Velocity): ↑ 近轨行星的存在引发的恒星速度变化。

系外行星 (Exoplanet): ↑ 位于太阳系之外的行星。

利益冲突声明

作者声明, 该研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。

致谢

感谢 Noa Segev 的采访并参与本文的撰写。感谢 Sharon Amlani 提供的图 1、图 2、图 3C。 感谢 ''赛先生'' 公众号及其译者赵金瑜、玛雅蓝对本文中文翻译的贡献。

脚注

1. ↑点击这里了解更多关于光线谱的知识。

2. ↑点击这里了解更多。 图 1 中也有相关解释。

3. ↑点击这里观看视频。

4. ↑点击这里了解更多。

5. ↑点击这里了解更多关于行星迁移的知识。

6. ↑即使满足了这些条件，也不一定意味着这个星球上存在生命，但有生命存在的可能性。在我们的认知之外，也有可能有不同形式的生命，在我们所不熟悉的环境下生存着。但由于科技水平限制，我们先从最简单的地方开始。

7. ↑这也意味着，即使我们在太阳系外找到了适宜人类居住的星球，以目前物理学的发展水平，人类也不适合移居到那个星球上。因此，我们需要尽全力保护地球，未来许多代的人们仍会生活在这里。

8. ↑如果你想了解更多关于这个方法的知识，可以阅读这篇文章[4]。

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参考文献

[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