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2019年的诺贝尔物理学奖已经于10月8日揭晓。 这次的三位获奖者大家可能已经通过这几天的新闻了解到了，他们分别是： 这次诺贝尔物理学奖的颁奖词所描述的范围也比较大： “For contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth’s place in the cosmos” 奖励他们，为我们理解宇宙的演化以及地球在宇宙中的位置做出的贡献。 三位科学家都是天体物理学界的大牛，有很多文章已经对他们做了详细的介绍。其中，后两位的获奖理由是： “For the discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star” 是的，两位科学家最杰出的贡献就是发现并确认了太阳系外的第一颗环绕类似太阳的恒星旋转的系外行星。 这颗行星，被称为51 Pegasi b。 No.1 这颗星在哪里？ 51 Pegasi b，用中文来说，就是飞马座51b。飞马座51，是位于飞马座的一颗类太阳的主序星；飞马座51b，指的就是环绕飞马座51的最近的一颗行星。天文学界的惯例，就是在恒星后面跟一个小写字母，从b开始，来表示其行星。此外，也有用从A开始的大写字母编号的方式。 飞马座51，用中国传统名称，则是室宿增一，本身不是很亮，但是比较近，距离太阳大约50.9光年，视星等5.49，在没有光污染的情况下，肉眼也可以看到。 No.2 这颗行星是怎么被发现的？ 50.9光年说远确实不远，毕竟我们已知的宇宙是以百亿光年来计的。但是要说近，那是绝对不对的，就算是光，也要跑50多年才能到达我们的眼睛。相对于这么大的距离尺度，要观测一个“渺小”的行星，是很难用望远镜做到的——更不要说行星本身几乎不发光，本来也没有什么信号。 那么这两位科学家是怎么做到的呢？ 他们运用了一种，叫做“多普勒光谱学”的方法（也叫径向速度测量法）。 这种方法是Otto Struve于1952年提出的。大概的意思是，恒星和行星的引力是相互的，如果是一颗比较大的行星围绕恒星旋转，那么这两体的质心，会比较明显的偏移恒星的中心，从而使在体系外的观测者看起来这个恒星在原地旋转。 在这个时候，因为恒星在相对于地面上的观测者做周期性的运动，那么这颗恒星的多普勒频移，就会周期性地呈现出蓝移和红移。 如果观测到这种周期性的蓝移和红移，就说明有一颗质量可观的行星在围绕这颗恒星旋转。 于是，这次获得诺贝尔奖的Michel Mayor和Didier Queloz两个人，利用这个原理，制作了ELODIE摄谱仪，这台仪器能够监测最小7米每秒恒星的径向速度。 1993年，这台仪器安装使用，仅仅两年，1995年10月6日，两位科学家就确认并发表了关于51 Pegasi b的发现成果。 聪明的你，一定立刻就会想到——这个方法看起来很厉害，那就一定有缺陷！是的，这个方法的一个重大缺陷就是：如果这颗行星的轨道面正好垂直于我们观测它的视线方向，我们就无法用这个方法找到系外行星。 原理很好理解。如果像上图中示意的一样，轨道平面和我们的视线平行，那么，恒星的周期运动，一定会相对于我们忽远忽近，有一个视线方向上的速度变化，这使我们能够看到红蓝移的周期变化。 但是如果像这样，轨道平面正对我们，那么恒星再怎么转，相对于我们的位置也几乎不变，我们也就得不到红蓝移的周期信息。 此外，有些恒星本来就不稳定，会膨胀、缩小以及闪烁，也会影响这个方法的有效性。 No.3 这颗行星长什么样子？ 刚才也说到，51 Pegasi b，是51 Pegasi的第一颗行星。这是一颗“热木星（Hot Jupiters）”。什么叫热木星呢？顾名思义，很热的木星。这个热是由外而内的。飞马座51和他的行星特别亲热——超出地球人想象的亲热。飞马座51b，公转周期只有大约4个地球日，这比水星约88个地球日的公转周期要短得多得多得多得多。也就是说，它距离飞马座51的距离，也比水星到太阳的距离近得多得多。 刚开始科学家都以为51 Pegasi b是个类地行星，有着坚实的地表，就像水星那样非常非常非常大，有半个木星那么重，大约相当于150个地球质量。因为过去科学家确实没有见识过距离太阳这么近的行星，本能就觉得应该类比太阳系。那个时候的行星演化理论，也无法支持气态巨行星在这么近的地方出现。 最开始，科学家推测它可能是一颗褐矮星，被剥离了外表，只剩下核心。算是一个分解了的恒星的残留物——因此含有比较高的重元素成份。 后来，更多的类似热木星被发现，例如巨蟹座55（55 Cancri）和牧夫座Τ（τ Boötis），热木星成为一个专门的门类，来描述这些很热、距离恒星很近的气体巨星。51 Pegasi b像木星一样，是一颗气体巨行星（Gas Giant）。它有着厚厚的大气层，可能有个固态的内核。不考虑温室效应和潮汐加热作用，且假设球面反照率为0.1，那么它的表面温度应该达到1265K。由于这种高温，它虽然只有半个木星重，但是估计半径比木星还要大。 就很膨胀。 现在，51 Pegasi b被国际天文学联合会命名为Dimidium，拉丁语意为“一半”，意思是半个木星。 51 Pegasi b的艺术想象图 所以你看，观测手段的提升往往能带来科学的飞跃。 No.4 地外行星有没有什么土特产？ 很遗憾目前没有发现，就算有，我们也难以从狂暴的气体巨星上开采土特产。不过，还有一些别的选项。 这次诺贝尔奖的描述是，首次发现围绕“类太阳恒星”旋转的系外行星。聪明的读者一定又一次发现了漏洞！ 那就是，没说是首次发现系外行星。 没错，别的类型的系外行星，在这之前就已经有所发现了。 这样的行星，并不围绕一颗“类似太阳的”主序星旋转，而是围绕“恒星的遗骸”，脉冲星旋转。 PSR B1257+12，又被称为“巫妖星”（Lich）。（恰逢魔兽世界怀旧服刚刚上线不久，祝大家排队愉快） 巫妖和他的行星们：尸鬼、促狭鬼、梦魇 过去科学家认为，只有主序星才可能拥有行星，但是人类首次发现的系外行星，就是环绕非主序星的——可能这就是爱情吧，总是充满意外和打脸。 1992年，Wolszczan和Frail，通过用脉冲计时法(Pulse Timing)，分析巫妖的射电信号：脉冲星有很强的射电信号，发现并确认了第一颗和第二颗系外行星，PSR B1257+12b，尸鬼（Draugr），PSR B1257+12c，促狭鬼（Poltergeist）。1994年发现了第三颗，PSR B1257+12d，梦魇（Phobetor）。 尸鬼、促狭鬼和梦魇的成比例的艺术想象图 可以看到，三颗地外行星，都比这次获奖的地外行星更早被确认，而且这样的反常的案例，也一样推动了人类对宇宙的认识，但是目前他们还没得过诺奖。也许评选委员会有自己的考虑吧。 现在，科学家认为，“巫妖”可能还存在第四个手下，但是相关研究还不够充分，不能认定。 那么，说好的土特产呢？！ 还记得曾经，我们在“灭霸同款土豆试吃指南”里写过，土星这样的气体巨星，内部温度压强很高，因此会形成钻石雨——钻石雨落在了哪里呢？那当然是沉淀在其固态的核心里。 目前的研究表明，巫妖的三个召唤兽，可能有两种形成原因，第一可能是原来的恒星死亡之后，变成白矮星，白矮星又和另一颗白矮星碰撞、粉碎，形成新的吸积盘。这三颗行星就在新的吸积盘中形成；但是也有一种可能，那就是这些行星其实是原来的气体巨星的固态内核，在超新星爆发中，气体巨星的大气层被整个剥离，只剩内核。 美国普林斯顿大学的Marc Kuchner认为，这些行星很可能富集碳元素，在上述的温压条件下，有可能富含金刚石。 钻戒贬值预警。 我也想得诺贝尔奖怎么办？ 现在，寻找新的太阳系外行星的方法，除了上述的径向速度法、脉冲计时以外，还有十多种至少成功过一次的方法，以及五六种可能靠谱的方法。方法很多，星空也非常广大，要么提出一个新方法，要么找到一颗别具一格的，比如说和地球一毛一样的系外行星；或者开上飞船，拉回一船钻石的行星，拍在诺贝尔奖评委会脸上，让他们单独给你开一个新的奖项，我觉得都是不错且有操作性的方法。 图注：截至2014年9月，每年发现的系外行星 （图中不同的颜色表示不同的探测方法得到的结果。其中蓝色为径向速度法。） 正如这次颁奖词写的： “For contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth’s place in the cosmos” 用心、用力、用情，去开拓人类知识的边疆。 人类会铭记你的贡献。 美编：高欣欣 校对：黄志伟
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