人类是孤独的吗

发布者:江苏省天文学会文章来源:江苏省天文学会发布时间:2019-10-11浏览次数:15

解读2019年诺贝尔物理学奖之系外行星发现

 2019年的诺贝尔物理学奖,授予了物理宇宙学的理论发现,以及首个围绕类太阳恒星的太阳系外行星的发现。发现系外行星为什么这么困难?这一发现有什么重要意义?本文部分解读。 

图 1  2019年诺贝尔物理学奖获奖者。图片来源新华社(重新编制)。

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  1. 系外行星发现的困难


金星和火星是离地球最近的行星,靠反射太阳光才在夜空中明亮闪烁,但和太阳相比,它们实在是黯淡的小不点儿。图2展示了太阳系行星和太阳的真实比例,木星半径最大,也只有太阳的十分之一。太阳系所有的行星质量加起来,只比千分之一的太阳质量多一些。行星又小又暗,和明亮庞大的恒星一起放在遥远的宇宙深处,是很难直接探测到的。而且在系外行星发现之前,科学家总是以太阳系的经验想象系外行星,后来证明是错误的,这也导致研究方向出现偏差,推迟了系外行星的发现。



图 2 太阳系行星和太阳的真实比例。图片来源维基百科。  


  1. 历史性的突破


历史性的突破在1995年,Michel Mayor和他的学生Didier Queloz发现了第一颗围绕类太阳恒星的行星,就是这一历史性发现为二人赢得了今年的诺贝尔奖。这颗系外行星叫做飞马座51b51 Pegasi b),飞马座51是宿主恒星的名称,后面加小写字母表示行星,一般按照发现顺序用bcd……区分同一恒星周围的不同行星。飞马座51b非常奇特,质量和木星相当,但与恒星的距离只有木星与太阳距离的百分之一,以至于4.2天就能绕恒星公转一圈,环境温度高达1000多度,因此被称为热木星(图3)。这颗行星被发现的时候,因为太过怪异,两名发现者也犹豫不决,最终在《自然》杂志编辑的鼓励和支持下大胆作出结论。热木星飞马座51b的发现颠覆了人类对系外行星的认识,开启了系外行星研究的新时代。



 图  3 热木星 飞马座51b艺术想象图。图片来源NASA。

 



  1. 视向速度方法


MayorQueloz并没有直接看到飞马座51b辐射或者反射的光,它离我们很遥远,约50光年。光年是光一年传播的距离,比较下地球上一束光到达月球才要约1秒,可想而知这颗行星距离地球多遥不可及。那么这么远的行星是怎么被发现的呢?学过高中物理我们都知道,力是相互的。比如地球绕着太阳转,地球和太阳之间的离心力刚好使地球一年公转一圈,完成一个近圆的轨道;同样,这个力也对太阳起作用,只不过太阳质量很大,同样的作用力造成的影响比较小。如果一颗恒星周围存在行星,那么这个恒星就不是一动不动的,会时而远离时而靠近我们,产生多普勒效应(如图4所示):远离我们时光波被拉伸,波长变长频率变低,发生红移;靠近我们时光波被压缩,波长变短频率变高,发生蓝移。发现飞马座51b就是用这种间接的探测方法,从宿主恒星运动速度的周期性变化间接推断出这种变化是因为行星的引力扰动导致的,变化周期就是行星的公转周期。这个方法因为测量的是视线方向恒星的运动速度,因此被称为视向速度法。MayorQueloz就是利用高精度光谱仪探测到恒星飞马座51光谱的规律性变化,从而推断它的周围存在一颗系外行星的。


 4 左:多普勒效应示意图。右:视向速度法探测系外行星的原理。右图来源欧洲南方天文台(重新编制)。  



  1. 其他方法


 5 凌星现象示意图。图片来源维基百科(重新编制)。  


其他探测系外行星的方法还有凌星法、微引力透镜法、脉冲星计时法等。其中效率最高、目前取得成果最多的是凌星法。凌星是指视线方向上行星遮住了一部分恒星。因为恒星发光行星黯淡,行星挡住一部分恒星时,星光会比平时暗一些。通过恒星亮度的变暗程度可以间接推断行星的相对大小。如图5所示。行星越大,能遮住的恒星面积越大。比如地球半径是太阳半径的百分之一,那么地球能遮住太阳万分之一的面积,外星人在地球凌日时就会发现太阳光比平时下降了万分之一。木星半径是太阳半径的十分之一,木星凌日时光度变化是百分之一。地面的望远镜只能看到类木行星凌星,地球大小的系外行星凌星要靠空间望远镜。美国国家航空航天局的开普勒太空望远镜是凌星法探测系外新星的里程碑,2009年发射后一直监视着天鹅座附近一片天区。直到2018年退役时,开普勒太空望远镜共发现了近3000颗系外行星和另外3000多个发生凌星现象的疑似行星,重要的发现包括第一个有多个系外行星的系统(Kepler-9系统),第一个最像地球的岩质行星(Kepler-10b),第一个环境温度允许液态水存在的宜居带行星(Kepler-22b),等等。这些系外行星改变了人类对世界的认识,使人类意识到行星是普遍存在的,而且千姿百态多种多样。


  1. 下一个征程——另一个宜居行星的发现


宜居带行星探测和研究是近年系外行星科学家最感兴趣的领域之一,尤其是类太阳恒星周围的宜居带行星。适宜人类生存的行星需要有陆地和液态水,这要求行星表面处于合适的温度。在恒星的辐射下,行星表面温度主要取决于行星与恒星的距离。行星系统中与恒星距离适宜、温度能使水以液态形式存在的区域称为宜居带。根据Kopparapu等人2013年的定义,太阳系的宜居带大概从地球轨道内侧到火星轨道外侧。如图6所示,绿色区域为宜居带,宜居带内侧靠近恒星的区域太热,外侧远离恒星的区域太冷,只有宜居带对类地生命才更合适。宜居带的行星不一定真的宜居,宜居行星还要有磁场等机制保护行星上的生命免遭高能粒子的辐射,以及保护液态水的行星大气环境等等。探测太阳系附近的宜居行星对研究生命起源等有重要意义,已经成为系外行星探测的主旋律。


图 6  太阳系宜居带(绿色区域)示意图。图片来源Newton科学世界。  

http://blog.sina.com.cn/s/blog_5b0192cd0101ggya.html 


  1. 我国学者的发现


我国的系外行星研究虽然起步晚,但是近些年发展迅速,研究队伍也不断壮大,国内很多高校和天文机构都开始涉足系外行星的研究,包括国家天文台、南京大学、紫金山天文台、云南天文台、北京大学、清华大学、中山大学、山东大学、南京天文光学技术研究所和极地研究中心等。其中国家天文台利用北京2.16米望远镜发现了围绕一颗红巨星的系外行星HD173416b和多颗褐矮星。南京大学系外行星团队通过分析南极 2016 年的观测数据,发现了 100 多个系外行星候选体;对Kepler太空望远镜的数据进行动力学分析,确认了几十颗系外行星。南京大学还在西藏阿里建造了“南京大学时域天文台”,主要用于系外行星搜寻,即将投入使用。

 7 左:南京大学参与的南极天文望远镜项目并获得凌星光变曲线;右:南京大学时域天文台一台望远镜正在工作。  


  1. 未来的征程


人类常常好奇,我们在宇宙到底是不是孤独的,有没有像地球一样的星球让我们能生存繁衍,这些问题的答案我们现在还不知晓。虽然目前用各种方法一共探测到4000多颗系外行星,但绝大多数系外行星都不是直接看到的,像上面提到的视向速度法和凌星法都是间接探测。行星自身辐射光和反射光都很弱,能直接看到的几颗行星都是年轻的极热的行星,木星和地球这样的行星即使用现在最厉害的空间望远镜都无能为力。不过随着科技的发展和更多的支持,未来人类一定会看得更远更真切,一步步接近答案。



撰稿   南京大学 杨明 谢基伟 周济林