用中學生能聽懂的語言講2019諾貝爾物理獎（下）：太陽系外行星的探索_風聞

**撰文 |**滿威寧（加州州立大學舊金山分校物理與天文系終身教授）

10月8日，諾貝爾物理學獎的一半共同授予了瑞士天文學家米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz），以獎勵他們“發現了圍繞類太陽型恆星運行的行星”。到目前為止，人類已經發現了大量系外行星，它們有類似地球的岩石行星，也有類似木星的氣態巨行星，有些有大氣，有些可能有液態水，還有很多與我們熟知的太陽系行星非常不同。對系外行星的探索改變了人類對我們在宇宙中所處位置的認知。

今天的文章是加州州立大學舊金山分校物理與天文系滿威寧教授對2019年諾貝爾物理學獎科普的下篇，在上篇《用中學生能聽懂的語言講2019諾貝爾物理獎（上）：宇宙從哪裏來，到哪裏去？》中，她介紹了宇宙的歷史和演化。而在這篇文章中，她將詳細介紹搜尋太陽系外行星的結果，具體方法和物理原理，繼續帶我們探索我們是誰，我們在哪裏。

又到了每年10月儘可能通俗地給大家介紹諾貝爾物理學獎的時間。我希望儘量用貼近中學物理的語言，講清楚這些得諾貝爾物理學獎的工作做了什麼，為什麼要做，怎麼做的，有什麼結果和展望。

2019年諾貝爾物理學獎一半頒給美國普林斯頓大學的詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles），“獎勵他在物理宇宙學的理論發現”，另一半則共同授予了瑞士天文學家米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）師徒，以獎勵他們“發現太陽系之外別的恆星的行星”。

這是非常特殊的一年，因為這兩項工作涉及的領域相距甚遠，一個研究浩瀚宇宙的發展歷史，一個尋找太陽系外的行星，而宇宙物理學和天文物理學在業內其實是完全不同的兩個領域。雖然這樣的組合十分罕見，但關於獲獎原因還是可以合併在這句致辭裏：以獎勵他們“為人類對宇宙演化和地球在宇宙中的位置的理解做出的貢獻”。是的，重要的是這兩項工作深刻地改變了人類對世界的認知。

莊子説，“井蛙不可以語於海者，拘於虛也；夏蟲不可以語於冰者，篤於時也。”感謝人類兩千年科學史上那些智慧的靈魂，幫我們在短暫的生命中看到了那麼遙遠的過去和未來。

“我們是誰？我們從哪裏來，我們要到哪裏去?” 或許上一篇文章《用中學生能聽懂的語言講2019諾貝爾物理獎（上）：宇宙從哪裏來，到哪裏去？》可以幫助你稍微瞭解一點宇宙從哪裏來。

而這一篇，我們從地球出發，詳細介紹科學家們尋找太陽系外行星（Exoplanet）的具體方法，以及已經尋找到了什麼。“我們是誰，我們在哪裏? ” 我們的太陽系、我們的地球是特別的嗎？是獨一無二的嗎？

在哥白尼（1473-1543）推翻地心説倡導日心説之後，布魯諾（1548-1600）提出太陽也不是宇宙的中心，太陽只是很多恆星中的一顆，宇宙是無限的，沒有中心。在上篇文章我們講過，銀河系是宇宙億萬個星系中很平凡的一個，而銀河系裏面有上千億顆恆星，太陽只是其中的滄海一粟。

幾百年來，一些哲學家和科學家推測太陽系之外有行星存在，另一些哲學家和科學家認為地球上適合生命的種種條件加在一起發生的概率是那麼小，或許地球和太陽系真的是獨一無二的。很久以來人類沒有辦法知道，行星是不是普遍存在，別的恆星的行星與太陽系的行星相似度又如何，適合生命生存的地球又到底有多罕見。

智利帕瑞納天文台上空的銀河照片。| 圖片來源 ：ESO/Y. Beletsky

離太陽系最近的恆星，半人馬座的比鄰星屬於一個三恆星系統（科幻小説《三體》裏三個太陽的靈感來源），距離我們4.3光年遠，這個距離光要花4.3年才能走過。人類製造的最快的飛行器旅行者一號，自1977年發射以來，早已飛出太陽系，它保持６萬１千多公里每小時的速度，都還要飛73600年才能完成4.3光年的距離。璀璨的漫天繁星距離我們實在是太遠了，就算它們有行星，但行星不發光，又比恆星小得多，直接用望遠鏡觀察是很難看到的。

那怎麼辦呢？怎樣才能通過觀測遙遠的恆星星光去找出它們附近暗藏的行星？這真是個天大的難題，人們曾經應用本文後面提到的方法努力了很多年都沒有任何收穫，到了上個世紀九十年代初期，人們甚至覺得可能永遠也不會找到太陽系外的行星了（不要忘了那時計算機等工具還很落後）。

當時有一種解釋在天文學界比較有市場：多顆恆星通常在星雲裏成簇地誕生，而越靠近星雲中心的恆星往往質量越大。恆星質量越大，引力越強，核聚變越劇烈，壽命越短。大質量恆星往往幾百萬年內就幾乎耗盡，發生超新星爆發。超新星爆發可以把恆星的一部分質量以十分之一光速拋出去，併發出強大的激波，足以撕碎和推開圍繞恆星周圍的旋轉盤內的一切，掃蕩乾淨本來有可能形成行星的物質。而太陽誕生時可能處於團簇的邊緣，質量又不很大，壽命超過百億年，周圍因太陽引力圍繞太陽旋轉的物質有足夠長的時間和機會演化成大大小小的行星。所以説有可能太陽系和行星系統是很罕見的。

甚至在太陽系外的行星被發現之後的好幾年，仍然會遭到天文界的反覆質疑，直到大量由不同觀測方法相互佐證的行星被發現，才得到業界認可。而直到觀測確認太陽系附近幾乎每個恆星都有行星，人們才徹底接受事實：我們的太陽系並不罕見，更不唯一。

本文主要給大家介紹科學家用哪些方法探測和發現太陽系外的行星，以及相關的物理原理。我們將詳細討論以下這些問題：

1、什麼是主序星？恆星的演化和分類

2、哪些方法可以探測太陽系外行星？

3、多普勒效應是怎麼回事？

4、恆星會在行星影響下運動嗎？

5、如何用多普勒徑向速度法探測行星？

6、什麼是探測系外行星的凌日法？

7、太陽系外行星探測的里程碑和展望

什麼是主序星？恆星的演化和分類

馬約爾和奎洛茲師徒因為在1995年發現了太陽系外第一顆屬於主序星（類似於太陽的恆星）的行星，而獲得2019年諾貝爾物理獎的一半。

其實在1992年，波蘭天文學家亞歷山大·沃爾茲森（Aleksander Wolszczan）已經發現了第一顆太陽系外的行星，不過它屬於一顆脈衝星，脈衝星與類似太陽的主序星完全不同。

在上一篇文中已經提到，温度越高的物體電磁波輻射的頻率越高，波長越短。太陽的輻射包括所有頻率的電磁波，因為它表面温度接近6000攝氏度，輻射的峯值頻率在綠光的範圍。我們習慣的白色就是從紅到紫的可見光的混合，是人類基於太陽輻射的中心頻率波段進化出的視覺範圍。下面這張圖的縱座標代表恆星光度與太陽光度的比值，橫座標朝右代表温度降低。

恆星的分類

我們可以通過這張圖大致瞭解，大小不同的主序星都嵌在圖中的主序帶中，包括右下角又小又暗、偏低温的紅矮星，中部類似太陽的恆星，和左上角又大又亮、偏藍的更高温的恆星。主序星的亮度和温度有明顯的關聯，温度越高亮度越高，顏色越藍（光譜中心頻率越高）。而右上角的紅巨星和紅超巨星體積龐大，亮度大，温度卻偏低，所以光譜偏紅。左下角顯示的白矮星則體積非常小，亮度也小，温度卻較高。

恆星的演化 | 圖片來源 ：wikipedia

從這個圖中可以看到不同質量恆星可能的生命軌跡。一般恆星在其青壯年時期是主序星，比如我們現在的太陽。不同質量的恆星從星雲中誕生。中等質量的恆星包括我們的太陽壽命很長，在核聚變反應中耗盡了氫原子核以後會經歷紅巨星，再到白矮星甚至黑矮星的過程。而大質量的主序星隨着核聚變原料的消耗，會比較短命地離開主序星隊伍，經過紅超巨星階段和超新星爆發，最終坍縮成黑洞或者密度極大的中子星、脈衝星。脈衝星是高速旋轉的中子星，伴隨它的自轉，我們能週期性地接收到它的電磁波脈衝。

哪些方法可以探測太陽系外行星？

到目前為止，探測太陽系外行星的方法主要有: 多普勒速率法、凌日法、凌日時間變分法、直接影像法等等。其中多普勒速率法和凌日法最為有效。

另外脈衝星計時法也可以用來發現脈衝星的行星。通過分析脈衝星的脈衝週期的變化，可以發現影響它們運動的行星。比如1992年沃爾茲森就已經用這個方法發現了第一個太陽系外行星，脈衝星行星 PSR B1257+12 b，但這個方法不能用於類似太陽的主序星。

人們想知道自己在宇宙中是否孤獨，所以更渴望、更在乎尋找位於主序星的宜居帶的行星，或許這就是為什麼沃爾茲森沒能共享這次的諾貝爾獎。因為脈衝星是爆發過的、塌縮後的高密度高輻射中子星，他們的周圍是超新星爆發清空的巨大空間。所以脈衝星居然有行星是非常顛覆人們的認知的。之後沃爾茲森發現這顆脈衝星PSR B1257+12有好幾個行星，存在行星系，物理意義重大。脈衝星的發現和脈衝雙星的發現曾分別獲得諾貝爾物理獎。最早發現和確認太陽系外行星的沃爾茲森沒能分享關於系外行星探索的諾貝爾獎也是一種遺憾。

下面重點介紹本次獲獎工作使用的多普勒徑向速率探測法，和迄今發現系外行星數量最多的凌日法（佔總數的74%）。

多普勒效應是什麼回事？

中小學生都可以在家裏用一個簡單的實驗來理解多普勒效應產生的原理。準備一大盆水，在水面上連續勻速地用手指敲擊，我們會得到均勻傳播開的水波紋。

靜止波源和運動波源對比圖：運動波源產生多普勒效應。| 圖片來源：Soundfly

而如果一邊連續敲擊水面，一邊往前移動手指，就會發現水波不再均勻對稱地朝四周擴散，而是波源前方的波長會被壓縮，波源後方的波長會被展寬。

換句話説，如果觀測者站在波源前進的前方，會遭遇更密集的波峯，所觀測到的波峯與波峯之間的時間間隔（週期）更短，觀測到的頻率更高。而如果觀測者站在波源後方，波源正在遠離，波長被展寬，觀測者就會遭遇更稀疏的波，觀測到的時間間隔（週期）變長，頻率變低。這就是多普勒效應。

救護車或火車鳴着笛呼嘯而來時，我們聽到的音調更高（頻率高），一旦救護車或者火車揚長而去時，我們聽到的鳴笛聲音就更低沉（頻率低）。

聲音的多普勒效應。| 圖片來源：https://i.pinimg.com/originals/1c/31/2e/1c312e9f91ed8926d15c1a9824a9fa66.png

波源運動的速度越快，這種頻率變化效應也就越明顯。通過比較靜止波源的頻率與探測到的頻率之間的改變，就可以計算出波源沿着觀測者的視線方向（徑向）靠近或者遠離的速度。

這樣的多普勒技術被廣泛地用來測量各種尺度的物體的運動速度。即使這個運動物體本身不發射任何波，也可以通過它們反射波的多普勒頻率的改變量來測量它們的速度。比如在街頭遠距離無接觸測量車速，在“彩色B超”中測量血管內血液流速，測量颱風中心前進的速度和方向，這些都是利用多普勒效應。

剛才這些解釋是利用水波或者聲波來形象地闡述多普勒原理，而類似的多普勒效應也會在光波（電磁波）傳播時發生: 當波源靠近的時候觀測到的頻率變高，當波源遠離的時候觀測到的頻率變低。頻率變化的程度由沿着觀測者的視線方向（徑向）的速度決定。當光源徑向速度遠小於光速時，這個頻率變化是極其微小和不易察覺的。比如當光源的徑向速度是光速的千萬分之一時（30米每秒），多普勒效應的頻率和波長分別只改變千萬分之一。

汞燈透過光柵的照片 | 圖片來源：作者

另外，原子內部電子軌道能級的能量差是固定的，它們對應頻率精確固定的光譜，也就是説比如氫原子在靜止時會吸收和發射什麼頻率的光是固定和已知的。比如在上圖中透過一個簡單的光柵看汞燈，汞原子光譜裏面不同顏色（頻率）的譜線就清晰可見。

氫原子吸收譜線的多普勒移動。| 圖片來源：LibreTexts　 

高温的恆星發出所有頻率的連續光譜時，其富含的成分比如氫，會吸收掉特定頻率的一部分光。上圖中部的幾條黑線就代表氫原子靜止時的吸收光譜。當發光天體遠離我們運動的時候，我們觀測到的那個天體的氫原子吸收光譜的頻率會因多普勒效應而改變，這些黑線會發生朝右的紅移。當天體朝向我們運動時，這些氫原子吸收光譜的黑線會發生朝左的藍移。通過比較發光天體的光譜與靜止原子光譜之間的細微頻率差異，就可以精確計算發光天體相對觀測者（地球）的徑向運動速度。

另外值得一提的是，天體自身運動導致的被觀測頻率的多普勒改變與上一篇提到的因宇宙空間膨脹而產生的哈勃紅移不一樣。前者根據運動方向可以有藍移或者紅移，後者因為宇宙空間本身的膨脹而只有紅移。

恆星會在行星影響下運動嗎？

太陽系所有的行星加起來，也只相當於太陽質量的千分之一點四。所以太陽系的行星圍繞太陽運轉的時候，我們似乎總覺得太陽是個不動的“中心”，是不受行星運動影響的。

而事實上，行星運動可能對恆星產生什麼樣的影響呢？

根據牛頓第三定律，兩個物體之間的作用力和反作用力大小相等、方向相反，而且這樣的內部力量不會影響這個系統整體的質心運動。因此，由於慣性，如果沒有外力的干擾，旋轉的系統會圍繞系統的質心一直旋轉，而質心不動。

當兩個球相隔一定的距離，如果這兩個球質量相等，它們的質心在兩個球心連線的中點。如果其中一個球比另外一個球重，質心就向重的那個球偏移。兩個球都圍繞這個共同的質心旋轉，週期相同。天體裏的雙星系統（很近的兩個恆星）通常會這樣運動。

  雙球系統的圓軌道和橢圓軌道。| 圖片來源：Ohio State Univ.

而當其中一個質量比另一個大得多的時候，系統的質心會進入到大球內部，大球圍繞質心的運動幅度和速度會比小球的小很多。

較小物體（如太陽系外行星）與較大物體（如恆星）同週期地圍繞它們共同的質心（紅色十字）旋轉。| 圖片來源：Wikipedia

極端情況下當其中一個球的質量相對另一個來説是九牛一毛、微乎其微的時候，整個系統的質心緊挨着大球的中心。兩個球圍繞系統質心運動時，看起來是小球在圍繞大球中心轉，大球好像沒動。我們熟知的太陽與它的行星看起來就像這樣。

事實上，不僅僅是大球對小球的吸引力拉着小球在轉圈，小球對大球有同樣大的吸引力，也會拉着大球轉圈，只是大球旋轉的幅度和速度要小很多。僅僅通過牛頓第三定律或者説動量守恆定律，就可以推導出，因為太陽質量是木星質量的1047倍，木星導致的太陽旋轉的速度是木星公轉軌道速度的1/1047，也就是大約每秒13米。而地球公轉對太陽產生的速度影響只有9釐米每秒。

如何用多普勒徑向速度法探測行星？

左圖：恆星在行星的引力作用下順時針旋轉，觀測者在圖中下方，視線方向的徑向速度分量導致光譜頻率週期性地增加或減少。右圖：太陽在木星影響下（黑線）和土星影響下（紅線）的徑向運動速度隨時間的變化，以及考慮測量誤差噪音時可能的波動（黑點）。| 圖片來源：Addison Wesley, Debra Fischer

徑向速度是物體運動速度在觀察者視線方向的分量，如果恆星在行星的影響下轉圈，徑向速度會在行星公轉的四分之一個週期內從零變到最大值，類似圓周運動在某個方向的投影，速度是時間的正弦函數，導致該恆星被觀測到的光譜產生週期性的多普勒紅移和藍移。也就是説，如果發現有恆星的光譜存在週期性的頻率變高又變低的多普勒移動，就意味着它們時而朝向我們、時而遠離我們運動，如果排除有緊鄰的恆星或矮褐星構成雙星系統，那這就可能是一個行星的影響。

試想一下，如果外星系的人想通過觀測太陽來找太陽系的行星，他們可以觀測太陽光譜頻率隨時間的變化來判斷太陽有沒有因為行星而小幅轉動，以及計算徑向速度，但這真是太不容易。即使他們的視線正好平行木星公轉的平面，最多也只能探測到太陽13米每秒的徑向速度產生的多普勒效應，這麼微小的變化還是在漫長的木星年才能完成一個週期，也就是11.9個地球年（如上圖）。外星人用這樣的方法來找地球（探測地球影響太陽每秒9釐米的運動速度）就更難上加難了。

在1995年以前人們在這方面的努力一直沒有收穫，希望看起來很渺茫，到底能不能通過多普勒效應探測到恆星-行星系統中恆星微弱的相對運動？

飛馬座（Pegasus）在秋季北方的天空比較明顯，包括一個近乎正方形的大四邊形。Pegasus 51是被紅圈標識的這顆從地球上肉眼可見的恆星。| 圖片來源：Wikimedia Commons

馬約爾和奎洛茲構建了一種新型光譜儀同時測量142顆恆星的光譜，終於在1995年發現，飛馬座的一顆編號為51的恆星（Pegasus 51）的光譜頻率週期性變化。通過分析恆星光譜頻率隨時間的變化，人們可以計算出它的徑向速度隨時間的變化，擬合相應的正弦時間函數，從而計算它圍繞質心旋轉的週期，模擬描述它的軌道，並推算出影響它如此運動的天體的質量範圍和距離範圍等信息。很快人們證實，這不是一個雙星系統，而是一個質量至少是地球150倍的類似木星的行星，這顆行星依隨它的母星被命名為飛馬座 51b。

令人驚訝的是這顆巨大的行星離母星飛馬座51恆星特別近（相當於地球到太陽距離的5%），根據中學物理課提到的開普勒定律，行星軌道半徑越小，公轉角速度越快，週期越短。它公轉一圈只需要四個地球日。這一發現也改變了人們對行星形成和分佈規律的認識：原來在離恆星這麼近的地方可以有類似木星的巨行星。不像在太陽系內，四顆岩石行星——水星、金星、地球和火星都比較小，且離太陽比較近；而氣態巨行星如木星、土星都離太陽很遠，温度足夠低，它們的行星核的引力才可以像滾雪球一樣俘獲周圍的氫和氦，形成巨行星。而且因為距離太近，飛馬座51b面對母星那一面的温度可以高達上千度。此後人們還發現了很多類似的靠近恆星的巨大“熱木星“, 並看到它們往往一直在“蒸發”。

圖為觀測到的行星飛馬座51b以及擬合的正弦時間函數。 | 圖片來源：[5]

飛馬座51b的發現是天文學的一座里程碑。此後大量的天文望遠鏡被投入到運用多普勒徑向速度法尋找太陽系外行星的工作中。2003年開始投入使用的高精度徑向速度行星搜索器（High Accuracy Radial velocity Planet Searcher, HARPS）甚至能夠分辨恆星1米每秒的速度所引起的多普勒頻率改變。

1996年2月時代雜誌封面。 | 圖片來源：Time

多普勒徑向速度法適合各種各樣的恆星，不限於主序星。這種方法顯然對發現公轉速度比較快、週期比較短，而且質量比較大的行星最有效。如果恆星有多個行星，其中質量偏小、距離偏遠的那些，對恆星運動的影響十分微弱，比較難用這個方法分辨。另外，即使地球的視線方向並不與行星公轉的平面平行，這個方法仍然有效。只不過，多普勒效應只能探測光源在徑向（地球的視線方向）的速度，當恆星和行星軌道平面與地球視線夾角太大，恆星徑向速度會比實際運動速度小很多，以此估算的行星質量就會遠小於實際質量。

什麼是探測系外行星的凌日法？

這是作者本人在2012年6月6日拍攝的太陽投影的照片，圖中除了較小較淺的太陽黑子，還有一個明顯的黑圓斑。那是金星凌日，也就是金星擋在了太陽與地球之間。不像月亮遮擋太陽的時候會發生陽光大受影響的日食，由於金星距離地球很遠，金星凌日只能擋住一點點陽光，好像給太陽長顆小“痣”。

令人讚歎的是，凌日法系外行星探測真就是靠探測這一點點被行星擋住的星光！

太陽系外的行星因為太遠太小， 極難直接被望遠鏡觀測到，但我們可以一直監測太陽系外恆星的亮度。如果有行星圍繞那個恆星週期性轉動，就可能會週期性地擋在我們和那顆恆星之間，從而略微減弱我們觀測到的那個恆星的亮度。

凌日法恆星亮度隨時間的變化示意圖。 | 圖片來源：How Do You Find an Exoplanet by John Johnson

我們觀測到的恆星亮度會隨時間的變化分為幾個階段: 恆星亮度不受影響的時間段，恆星亮度從開始變暗（開始被遮擋）到最暗（最多遮擋）的過程，以及維持最暗（最多遮擋）的時間段，還有從開始恢復到恢復最亮的時間段，再經歷保持最亮的時間段。通過仔細地計算和比較不同時間段的時長，可以計算出這個行星公轉一週的週期、大致尺寸、與恆星的大致距離等等。

這個方法當然也極不容易，比如説地球的尺寸僅僅能擋住十萬分之八的太陽光。通過不懈的努力，科學家們在過去二十年裏用這種方法找到了幾千顆系外行星，其中在2009年專為搜尋太陽系外行星發射的開普勒天文望遠鏡功不可沒。

凌日法還有可能通過微弱的光譜變化探測行星是否有大氣層，以及大氣層有什麼化學成分。若將多普勒徑向速度法和凌日法配合使用，互相驗證則能獲取更多的信息。比如多普勒徑向速度法可以用來估算行星質量，而凌日法能提供尺寸，於是我們能估算行星的密度，判斷它們的種類。凌日法的侷限在於，如果行星公轉的平面與地球的視線的夾角大一點，行星就不能遮擋住星光。

而凌日時間變分法改進了凌日法，以研究多個行星同時凌日的情況，幫助我們確認了不少擁有不止一個行星的行星系，其中不乏與太陽系行星偏心率很不相同的例子。

太陽系外行星探測的里程碑和展望

當人們發現人類現有的技術可以探測和證實太陽系外行星的存在時，系外行星的搜尋工作便成為最近二十年天文學最熱門的領域。人們更感興趣的是距離恆星不那麼近、温度不那麼高、能有液態水存在的宜居帶（habitable zone）的行星。

隨着母星温度和亮度的增加，行星可能的宜居帶與母星的距離也增加。| 圖片來源：wikipedia

1992年，第一顆太陽系外行星被發現。

1995年，第一顆屬於主序星的系外行星被發現。

1996年，筆者現在工作的加州州立大學舊金山分校（San Francisco State University）物理與天文系教授傑弗瑞·馬西（Jeffery Marcy）帶領學生髮現了第一顆圍繞主序星運轉的長週期行星——大熊座47b，它的公轉週期是一千零九十多個地球日。

1999年，馬西等人發現第一個類似太陽系的行星系——仙女座天大將軍6具有多個行星。

1999年，人們首次用凌日法發現了一顆系外行星 HD 209458 b。

2007年，馬約爾參與發現了第一顆被認為是有可能適合生命存活的行星——格利澤 581c（Gliese 581 c），它距離地球約20.5光年，離它的母星（位於天秤座的格利澤581紅矮星）很近，公轉一週只要13天，但由於母星是紅矮星，該行星的地表平均温度約在攝氏0至40度之間，可能存在液態水。它的質量至少是地球的5.5倍，一度被稱為超級地球。

此後為了嚴謹起見，天文學界輕易不提類地行星的説法，儘量只説類地尺寸行星或者宜居帶行星（代表平均温度可能在零下幾十到零上幾十度）。因為地球除了温度適宜，還有很多其他利於生命生存的特別之處（大氣層、磁場、月亮、潮汐、公轉週期、有木星在外圍等等）。宜居帶行星不一定具有類似的特點。

2009年，馬約爾還參與發現了目前主序星行星中最小的一個——格利澤 581e。它的質量約是地球的1.9倍，但與母星距離只有地日距離的百分之三，所以太熱。

保守估計的宜居帶範圍、廣義的宜居帶範圍，以及一些行星代表。縱軸是母星的温度，橫軸是行星得到的照度與地球得到的照度比。| 圖片來源：Penn. State Univ.

此後更多廣義的宜居帶行星被發現，包括TRAPPIST-1d、Kepler-186f，還有離我們最近的鄰居比鄰星的行星 Proxima Centauri b，它的平均温度大約是零下四十度。

在開普勒天文望遠鏡退役之後。2018年四月發射的凌日系外行星巡天衞星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）已經開始搜尋地球附近300光年內的恆星的行星。

目前發現的系外行星的質量（左）與半徑（右）隨公轉週期（橫座標）的變化與地球（綠星）之間的比較。| 圖片來源：Debra Fischer & John Brewer.

大部分已發現的系外行星尺寸都比較大，公轉週期都比較短（離母星比較近），還沒有跟地球的質量、尺寸和公轉週期（日地距離）類似的行星被發現。因為地球這麼小，地球能夠遮擋的太陽光只有十萬分之八；而且地球距離太陽這麼遠，地球引力影響太陽運動的徑向速度只有9釐米每秒，目前的探測精度還不足以分辨地球這樣的行星。

但是藉助日新月異的計算機數據處理能力和精密光譜學的發展（諸如激光頻率梳技術的應用）等，用多普勒徑向速度法分辨0.1 米每秒的恆星速度，會在不遠的將來成為可能，使得類似地球尺寸和週期的行星也可能被發現。

結束語

1992年脈衝星行星PSR B1257+12B的發現和1995年飛馬座51b的發現都是天文學上的重要里程碑，開啓了成功搜尋系外行星的時代，也使科學家認識到行星可以與我們熟知的太陽系行星非常不同。經過眾多科學家二十多年的努力，不斷改進測量和計算的精度，依靠大浪淘沙般的數據搜索，截至2018年10月8日，已經被確認的系外行星總共有3869顆，開普勒任務已經檢測到18000顆行星候選者，包括262顆位於潛在宜居帶的候選者。它們既有類地岩石行星，也有類似木星的巨行星，有些有大氣，有些可能有液態水。這些行星不管是尺寸、位置，還是軌道偏心率等，與我們熟知的太陽系行星有相似的，也有很不同的，這迫使天文學家擴展行星分類，重新審視行星形成的條件和過程。

銀河系保守估計有幾千億顆行星，銀河系只是茫茫宇宙的滄海一粟，系外行星的廣泛程度深刻地改變了人類對我們在宇宙中所處的位置的認知，以及人類對我們的星球是否特別的判斷。特別是連脈衝星都有行星和行星系的存在，向人們揭示行星的形成或許遠沒有以前猜測得那麼困難和罕見。人們對太陽系外生物存在的幾率的判斷也發生了本質的變化。

總之，今年兩個看似相隔遙遠的獲獎領域還是有共同點的：第一部分皮布爾斯關於早期宇宙演化的工作科學嚴謹地揭示了我們（宇宙）從哪裏來。而第二部分對太陽系外行星的探索進一步明確了我們到底在哪裏。它們改變了我們人類對宇宙的認識，對地球在宇宙中地位的認識，對整個人類和整個人類世界觀的影響都是深遠的。 

吾生也有涯，而知也無涯。還是感謝那些有智慧又勤奮的靈魂讓生命短暫的我們也可以瞭解那麼遙遠的空間和那麼遙遠的過去，並預測遙遠的未來。仰望浩瀚的宇宙，越發能體會人類的渺小，並震撼於科學的偉大。

希望這篇科普文能夠幫助不具備專業知識的人們，稍微瞭解一些物理學的廣度、深度和物理學的美。大到宇宙，小到原子核，萬物皆有理，祝願大家能理解物理，愛上物理，享受物理的美。

**作者介紹：**滿威寧，博士，本科畢業於吉林大學少年班，博士畢業於普林斯頓大學物理系，在普林斯頓大學和紐約大學從事博士後工作。現任加州州立大學舊金山分校物理與天文系終身教授，她帶領的科研團隊從事軟凝聚態物理、無序材料、準晶、光子能隙及非線性光學的研究。歡迎關注她的個人科普微信公眾號mv0 (數字零）。

致謝: 感謝作者的前同事現耶魯大學的 Debra Fisher 教授和現在的同事John Brewer教授跟作者的有益討論和提供部分圖片。 

參考資料

[1] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/press-release/

[2] https://www.quantamagazine.org/nobel-prize-in-physics-to-james-peebles-michel-mayor-and-didier-queloz-20191008/

[3] How Do You Find an Exoplanet by John Johnson, Princeton University Press

[4]  Wolszczan, A.; Frail, D. “A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 + 12”. Nature. 355 (6356): 145–147. (1992)

[5]  Nature, Volume 378, Issue 6555, pp. 355-359 (1995)

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