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一颗肉眼能看到的星星,怎就引出了一个诺贝尔物理学奖?


北京时间2019年10月8日晚间,2019年度的诺贝尔物理学奖公布。今年的物理诺奖被分为两部分:著名宇宙学家吉姆·皮伯斯(James Peebles,1935-)得到其中一半;著名“系外行星”专家米歇尔·麦耶(Michel Mayor,1942-)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz,1966-)分享另外一半。

这个消息出来后,很多天文圈子里的人觉得有些惊讶,因为宇宙学和系外行星是两个很不相同的领域。不过,我们可以这么想:宇宙学告诉我们从哪里来,系外行星科学告诉我们可以到哪里去:以后地球不适应生存了,就可以考虑搬到“太阳系外的行星”——“系外行星”——上去。

  麦耶与奎洛兹获奖的原因是:他们发现天上的一颗星星在摆动,然后根据摆动的速度大小确定出这颗星星周围有一颗类似于木星的行星在绕着这颗星转动——就像我们的地球绕着太阳转动。

  让麦耶与奎洛兹获得诺贝尔奖的那颗星星,名为“飞马座51”(51 Pegasi),在天空中位于仙女座(Andromeda)下方的飞马座(Pegasus)里。它距离地球51光年,意味着以每秒30万千米的速度跑,需要跑51年才可以到达这颗星。

  “飞马座51”是5等星。人眼能够看到的最暗星是6等星,5等星的亮度是6等星的2.5倍。所以你只要在一个晴朗的秋季夜晚,到一个没有灯光污染的地方,不借助望远镜就可以看到飞马座与仙女座的4颗明亮星星构成的一个四边形,四边形右边那颗小星星就是那颗让人拿到诺贝尔奖的星星——飞马座51,它也可以用肉眼看到。这并不是我在想当然:中国古人称飞马座51为“室宿增一”,他们那时候可没有望远镜。

想想看,你在适当的条件下抬头就可以用肉眼看到的这颗星星,居然也有一个类似于木星的行星绕着它转,这是不是很神奇?它居然可以让人拿到诺贝尔奖,是不是很激动?

  在感到神奇与激动之后,你也许也想知道,为什么麦耶与奎洛兹看星星看出了个诺贝尔奖?他们给出那个结果的原理是什么?他们发现的这颗行星是人类发现的第一颗系外行星吗?还有多少与这个话题有关的秘密?

  系外行星的早期探索

  人类早已从哲学或者宗教角度猜测宇宙中有大量类似于地球与太阳的系统,当时日心说尚未正式建立,地球被视为中心,太阳被视为绕着地球运转的一颗火球。宗教徒与哲学家猜测宇宙中有很多“世界”,每个世界都有太阳绕着它们转。

  在哥白尼(Nikolaj Kopernik,1473-1543)系统建立日心说之后,第一个从科学角度猜测有“太阳系外的行星”的学者是布鲁诺(Giordano Bruno,1548-1600)。他于1584年提出:天上的那些基本不动的星星——“恒星”——都是类似于太阳的天体,它们周围也有类似于地球的行星围绕它们转动,这些行星自然就是太阳系外的行星,简称“系外行星”。

  围绕恒星运转的行星,反射恒星光,我们可以看到太阳系内的行星,就是因为它们反射了太阳光。如果一颗遥远的恒星周围有行星,它反射恒星的光,我们似乎可以看到它们。

  但实际上,要看到恒星附近的行星,是非常困难的,因为行星反射的光远远暗于恒星自身发出的光,就像在几万千米之外看萤火虫在熊熊烈火旁边飞舞,我们即使用望远镜看到了火堆,也很难看到萤火虫。这使得人类长期以来无法搜寻到系外行星。

  捕猎系外行星:观测恒星颜色与亮度的变化

  1952年,著名的恒星物理学家奥托·斯特鲁维(Otto Struve,1897 -1963)首次建议:气态巨行星会拽动恒星,使其颜色发生有规律的变化,可以据此计算出恒星朝着我们地球的运动速度——径向速度;而且气态巨行星可能会有规律地遮挡一部分传播到地球上的恒星光。斯特鲁维认为,可以用上面的两个效应来判断远处恒星周围是否有行星。斯特鲁维的两个想法有何依据?

  首先,行星围绕恒星运动时,恒星自身其实也在动,只是因为恒星质量比行星大得多,因此运动不明显,我们就忽略恒星的运动了。但在某些情况下,这样的运动是不可忽略的。比如,当行星质量很大而恒星质量比较小的时候,恒星的运动就比较显著,明显地与行星绕着共同的中心旋转。

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恒星会拽动行星,行星也会拽动恒星,二者绕着一个共同的点(质心)公转 | Wikipedia

  恒星自身在发光,它们自身的这种运动,会引起恒星发出的光“变色”:当恒星朝着我们的方向运动时,光会变得偏蓝;当这个恒星远离我们运动时,光会变得偏红。这就是光的“多普勒效应”。根据这个效应的显著程度,可以计算相应的运动速度的大小。这就是探测系外行星的“径向速度法”。

径向速度法的原理:恒星被行星的引力拽动,绕着一个固定点旋转,时而远离我们,时而靠近我们,它们发出的光时而偏蓝,时而偏红,循环往复。| homepage.divms.uiowa.edu

  至于行星遮挡恒星的一部分光,这是很容易理解的。比如我们熟悉的日食,就是因为月球恰好挡在了地球与太阳的中间,把一部分甚至全部阳光遮挡住所导致的;水星或者金星有时候也会恰好挡在地球与太阳之间,在太阳的圆面上形成小小的黑点,这就是“水星凌日”现象与“金星凌日”现象。

  同样道理,如果一颗系外行星在围绕它的母星运动的时候会“周期性地”挡在恒星与地球之间,就形成了“凌星”现象。虽然看不到那颗恒星上出现的黑点,但依然可以用精密的仪器测出恒星亮度变暗的程度。这就是探测系外行星的“凌星法”。



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