2019年的諾貝爾物理學獎，授予了物理宇宙學的理論發現，以及首個圍繞類太陽恆星的太陽系外行星的發現。發現系外行星為什麼這麼困難？這一發現有什麼重要意義？本文部分解讀。

01、系外行星發現的困難

金星和火星是離地球最近的行星，靠反射太Sunny才在夜空中明亮閃爍，但和太陽相比，它們實在是黯淡的小不點兒。圖2展示了太陽系行星和太陽的真實比例，木星半徑最大，也只有太陽的十分之一。太陽系所有的行星品質加起來，只比千分之一的太陽品質多一些。行星又小又暗，和明亮龐大的恆星一起放在遙遠的宇宙深處，是很難直接探測到的。而且在系外行星發現之前，科學家總是以太陽系的經驗想象系外行星，後來證明是錯誤的，這也導致研究方向出現偏差，推遲了系外行星的發現。

圖 2 太陽系行星和太陽的真實比例。圖片來源維基百科（重新編制）。

02 、 歷史性的突破

圖 3 熱木星飛馬座51b藝術想象圖

03 、視向速度方法

Mayor和Queloz並沒有直接看到飛馬座51b輻射或者反射的光，它離我們很遙遠，約50光年。光年是光一年傳播的距離，比較下地球上一束光到達月球才要約1秒，可想而知這顆行星距離地球多遙不可及。那麼這麼遠的行星是怎麼被發現的呢？學過高中物理我們都知道，力是相互的。比如地球繞著太陽轉，地球和太陽之間的離心力剛好使地球一年公轉一圈，完成一個近圓的軌道；同樣，這個力也對太陽起作用，只不過太陽品質很大，同樣的作用力造成的影響比較小。如果一顆恆星周圍存在行星，那麼這個恆星就不是一動不動的，會時而遠離時而靠近我們，產生多普勒效應（如圖4所示）：遠離我們時光波被拉伸，波長變長頻率變低，發生紅移；靠近我們時光波被壓縮，波長變短頻率變高，發生藍移。發現飛馬座51b就是用這種間接的探測方法，從宿主恆星運動速度的週期性變化間接推斷出這種變化是因為行星的引力擾動導致的，變化週期就是行星的公轉週期。這個方法因為測量的是視線方向恆星的運動速度，因此被稱為視向速度法。Mayor和Queloz就是利用高精度光譜儀探測到恆星飛馬座51光譜的規律性變化，從而推斷它的周圍存在一顆系外行星的。

圖 4 左：多普勒效應示意圖。右：視向速度法探測系外行星的原理。

04、其他方法

其他探測系外行星的方法還有凌星法、微引力透鏡法、脈衝星計時法等。其中效率最高、目前取得成果最多的是凌星法。凌星是指視線方向上行星遮住了一部分恆星。因為恆星發光行星黯淡，行星擋住一部分恆星時，星光會比平時暗一些。通過恆星亮度的變暗程度可以間接推斷行星的相對大小。如圖5所示。行星越大，能遮住的恆星面積越大。比如地球半徑是太陽半徑的百分之一，那麼地球能遮住太陽萬分之一的面積，

外星人在地球凌日時就會發現太Sunny比平時下降了萬分之一。木星半徑是太陽半徑的十分之一，木星凌日時光度變化是百分之一。地面的望遠鏡只能看到類木行星凌星，地球大小的系外行星凌星要靠空間望遠鏡。美國國家航空航天局的開普勒太空望遠鏡是凌星法探測系外新星的里程碑，2009年發射後一直監視著天鵝座附近一片天區。直到2018年退役時，開普勒太空望遠鏡共發現了近3000顆系外行星和另外3000多個發生凌星現象的疑似行星，重要的發現包括第一個有多個系外行星的系統（Kepler-9系統），第一個最像地球的巖質行星(Kepler-10b)，第一個環境溫度允許液態水存在的宜居帶行星（Kepler-22b），等等。這些系外行星改變了人類對世界的認識，使人類意識到行星是普遍存在的，而且千姿百態多種多樣。

05、下一個征程——另一個宜居行星的發現

宜居帶行星探測和研究是近年系外行星科學家最感興趣的領域之一，尤其是類太陽恆星周圍的宜居帶行星。適宜人類生存的行星需要有陸地和液態水,這要求行星表面處於合適的溫度。在恆星的輻射下,行星表面溫度主要取決於行星與恆星的距離。行星系統中與恆星距離適宜、溫度能使水以液態形式存在的區域稱為宜居帶。根據Kopparapu等人2013年的定義，太陽系的宜居帶大概從地球軌道內側到火星軌道外側。如圖6所示，綠色區域為宜居帶，宜居帶內側靠近恆星的區域太熱，外側遠離恆星的區域太冷，只有宜居帶對類地生命才更合適。宜居帶的行星不一定真的宜居，宜居行星還要有磁場等機制保護行星上的生命免遭高能粒子的輻射，以及保護液態水的行星大氣環境等等。探測太陽系附近的宜居行星對研究生命起源等有重要意義，已經成為系外行星探測的主旋律。

06、中國學者的發現

中國的系外行星研究雖然起步晚，但是近些年發展迅速，研究隊伍也不斷壯大，國內很多高校和天文機構都開始涉足系外行星的研究，包括國家天文臺、南京大學、紫金山天文臺、雲南天文臺、北京大學、清華大學、中山大學、山東大學、南京天文光學技術研究所和極地研究中心等。其中國家天文臺利用北京2.16米望遠鏡發現了圍繞一顆紅巨星的系外行星HD173416b和多顆褐矮星。南京大學系外行星團隊通過分析南極 2016 年的觀測資料，發現了 100 多個系外行星候選體；對Kepler太空望遠鏡的資料進行動力學分析，確認了幾十顆系外行星。南京大學還在西藏阿里建造了“南京大學時域天文臺”，主要用於系外行星搜尋，即將投入使用。

圖 7 左：南京大學參與的南極天文望遠鏡專案並獲得凌星光變曲線；右：南京大學時域天文臺一臺望遠鏡正在工作。

07、未來的征程

人類常常好奇，我們在宇宙到底是不是孤獨的，有沒有像地球一樣的星球讓我們能生存繁衍，這些問題的答案我們現在還不知曉。雖然目前用各種方法一共探測到4000多顆系外行星，但絕大多數系外行星都不是直接看到的，像上面提到的視向速度法和凌星法都是間接探測。行星自身輻射光和反射光都很弱，能直接看到的幾顆行星都是年輕的極熱的行星，木星和地球這樣的行星即使用現在最厲害的空間望遠鏡都無能為力。不過隨著科技的發展和更多的支援，未來人類一定會看得更遠更真切，一步步接近答案。

（撰稿：南京大學 楊明 謝基偉 賙濟林 ）

作者簡介

賙濟林，南京大學教授，主要從事天體力學、太陽系外行星的研究。

謝基偉，南京大學副教授，主要從事系外行星動力學和演化的研究。

楊明，南京大學特任副研究員，主要從事系外行星探測和星震學研究。