2019年的诺贝尔物理学奖于10月8日公布,有一半的奖金归属了一对师徒——瑞士的天文学家Michel Mayor和Didier Queloz。颁奖词说,授予他们诺奖,是为了表彰他们“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”。早在16世纪,布鲁诺在《论无限的宇宙和世界》中就提出了他对于系外行星的预言。
他认为天空中的恒星,应该都像我们的太阳一样,它们的周围也会环绕着行星,而这些行星也可以孕育自己的生命。18世纪时,牛顿在他的旷世名作《自然哲学的数学原理》一书中提到了同样的可能性。通过与太阳周围行星类比,牛顿的脑海中浮现出的,是其他恒星周围类似太阳系一样行星环绕的场景。由于行星自身不发光,所以我们很难直接在其他恒星周围找到可能存在的系外行星,这时候牛顿的万有引力定律又可以来帮忙了。
行星自身的质量使得行星和恒星围绕着他们共同的质量中心在转动,那么在地球上的望远镜,就有可能看到行星引力对于恒星的影响,行星让恒星在天空中轻轻“摇摆”。在视线方向上,恒星受行星引力作用,时而远离时而靠近我们,这种细微的摇摆反应在光谱上,就会造成恒星光谱整体不断的红移和蓝移。我们称这种探测系外行星的方法为视向速度法。通过这一方法可以估算系外行星的质量这一重要参数。
功夫不负有心人,师徒二人长期监测绘制出的视向速度曲线,显示飞马座51周围存在一个质量至少有半个木星这么重的天体,每4天绕转一圈。但这一发现却令师徒二人困惑不已。要知道,太阳系中距离太阳最近的水星,公转周期也要88天。这个天体质量巨大却离它的太阳如此之近。他们在一个佛罗伦萨的学术会议上介绍了这个令人不可思议的发现,并寻求其他天文学家的帮助。
1995年11月, Mayor和当时还是他博士生的Queloz在《自然》杂志发表文章,正式宣布他们首次在类太阳恒星——飞马座51周围,发现了系外行星——飞马座51b。对于像飞马座51b这种大质量短周期的系外行星,由于距离恒星很近所以表面温度极高,天文学家也给了它们一个形象的名字——热木星。1995年飞马座51b的发现,改变了人类对于行星形成认知,也开启了系外行星研究的新时代。
系外行星作为天体物理学领域的年轻分支,在近三十年来得到了蓬勃的发展。探测方法不断革新,研究手段有了更长足的进步,研究内容也从最初的寻找行星确定基本性质,到现在已经可以深入研究行星大气。从1995年的第一颗,到现在的4000多颗,我们不仅仅知道了系外行星的存在,还知道了系外行星是在恒星周围普遍存在的,这从一到多的过程,对于人类的认识无疑是革命性的。