作者：序列号
2019年的诺贝尔物理学奖于10月8日公布，有一半的奖金归属了一对师徒——瑞士的天文学家Michel Mayor和Didier Queloz。
从左往右，第二位和第三位就是这对幸运的师徒啦（图片来源：https://www.nobelprize.org）
颁奖词说，授予他们诺奖，是为了表彰他们发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星。只看这句话，我想很多人可能会有疑惑，发现一颗系外行星也能拿诺奖？别想糊弄我，我可是清清楚楚记得，光NASA的Kepler望远镜就找到了几千颗啊！非也非也，能拿诺奖，当然凭的是真本事，就让我们一起看一下，凭什么这师徒二人能够获得诺奖青睐吧。
1. 首先，他们研究的是什么？
在颁奖词里我们已经知道了，这二位研究的是围绕类太阳恒星的系外行星。
我们在宇宙中是否唯一，是人类从仰望星空开始就在不断追问的问题，在太阳系之外的宇宙中，是否还有其他行星存在，也是一些历史伟人们经常思考的问题。
早在16世纪，布鲁诺在《论无限的宇宙和世界》中就提出了他对于系外行星的预言。他认为天空中的恒星，应该都像我们的太阳一样，它们的周围也会环绕着行星，而这些行星也可以孕育自己的生命。18世纪时，牛顿在他的旷世名作《自然哲学的数学原理》一书中提到了同样的可能性。通过与太阳周围行星类比，牛顿的脑海中浮现出的，是其他恒星周围类似太阳系一样行星环绕的场景。
所以说，类太阳恒星周围的系外行星，就是如上面两位伟人所想的那样，在夜空中像太阳一样的其他亮星周围，也有行星在绕转，组成其他的太阳系。
2.他们如何找系外行星？巧妙的方法，幸运的颜色
由于行星自身不发光，所以我们很难直接在其他恒星周围找到可能存在的系外行星，这时候牛顿的万有引力定律又可以来帮忙了。行星自身的质量使得行星和恒星围绕着他们共同的质量中心在转动，那么在地球上的望远镜，就有可能看到行星引力对于恒星的影响，行星让恒星在天空中轻轻摇摆。在视线方向上，恒星受行星引力作用，时而远离时而靠近我们，这种细微的摇摆反应在光谱上，就会造成恒星光谱整体不断的红移和蓝移。我们称这种探测系外行星的方法为视向速度法。通过这一方法可以估算系外行星的质量这一重要参数。
视向速度法示意图
当时国际上的几个小组就是通过这种方法，长期监测天上的一批恒星，期待发现潜在的系外行星对恒星光谱造成的速度变化，从而夺取这个领域的第一。这其中就包括Mayor和Queloz师徒，他们利用的是位于法国上普罗旺斯天文台的一台2米的望远镜和它所携带的当时最先进的光谱分析设备。
Mayer（右）和Queloz（左）在发现飞马座51b的望远镜前
这台望远镜被涂成了红色，这个中国人眼中的幸运色，也给瑞士人带来了好运。
3.他们找到了什么？一颗不可思议的系外行星！
功夫不负有心人，师徒二人长期监测绘制出的视向速度曲线，显示飞马座51周围存在一个质量至少有半个木星这么重的天体，每4天绕转一圈。
但这一发现却令师徒二人困惑不已。
要知道，太阳系中距离太阳最近的水星，公转周期也要88天。这个天体质量巨大却离它的太阳如此之近。他们在一个佛罗伦萨的学术会议上介绍了这个令人不可思议的发现，并寻求其他天文学家的帮助。
Marcy（右）和Butler（左）在Lick望远镜前
与此同时，美国的天文学家Geoffrey Marcy和Paul Butler，也在利用加州大学的望远镜做着同样的工作。当得知瑞士同行的发现时，他们也把自己的望远镜对准了飞马座51，并且得到了相似的视向速度变化曲线。此外，他们还对自己之前观测的其他恒星数据进行再次分析，又找到了一些类似的信号——巨大的质量、较小的周期。
美国人独立观测的数据，从侧面证实了瑞士人的发现，才最终促成了飞马座51b这第一颗类太阳恒星周围的系外行星的头衔。1995年11月， Mayor和当时还是他博士生的Queloz在《自然》杂志发表文章，正式宣布他们首次在类太阳恒星——飞马座51周围，发现了系外行星——飞马座51b。
飞马座51b基本信息
对于像飞马座51b这种大质量短周期的系外行星，由于距离恒星很近所以表面温度极高，天文学家也给了它们一个形象的名字——热木星。
4.听说第一颗系外行星不是他俩发现的？凭啥还能拿诺奖？
的确，天文学家一直在不断寻找太阳系之外的行星。
1992年，射电天文学家Aleksander Wolszczan 和Dale Frail在脉冲星PSR 1257+12周围发现的两颗系外行星，才是人类首次发现的太阳系外行星。
脉冲星PSR 1257+12系外行星系统示意图
但是，脉冲星是高速自转的中子星，中子星是一些大质量恒星死亡的产物，它的密度大到在一个指甲盖大小的体积内，就集中了数吨的重量。又因为脉冲星有强磁场，一直在高速转动并不断向外发出周期性强辐射。这样严酷的环境，周围存在的系外行星肯定跟我们的地球相去甚远。
考虑到我们寻找系外行星的目的，还是希望能发现宇宙中其他的生命，因此，虽然这两颗系外行星创造了人类第一次，但显然科学家还是更希望在跟太阳类似的恒星周围找到行星，而不是在一个死亡的大怪物旁边。
此外，发现这两颗行星所使用的方法是精确的计时方法，这一方法发现的系外行星到目前为止也只有几十颗，并不是寻找系外行星的主流方法。所以Wolszczan和Frail也就遗憾的与诺奖失之交臂了。
5.美国天文学家的工作就晚了几天，不重要吗？为什么诺奖没有他们的名字？
前文我们提到，飞马座51b能够拿下第一颗类太阳恒星周围的系外行星的头衔，绝对离不开美国天文学家Geoffrey Marcy和Paul Butler的工作。
实际上，Marcy他们的工作确实重要。从那之后的数年内，瑞士和美国这两个小组领导的团队，几乎包揽了最初发现的几百颗系外行星，其中美国人的发现还要更多一些。他们开启了未来30年系外行星探测的热潮。
在这一重要发现十年后的2005年，有着东方诺贝尔奖之称的邵逸夫奖，也将天文奖颁给了Geoffrey Marcy和Michel Mayor，以表彰他们发现第一颗类太阳恒星周围系外行星的巨大贡献。这在当时也就意味着，如果不出意外，两人很可能会在若干年后拿下诺贝尔奖，当时大家普遍推测未来美国人和瑞士人会平分诺贝尔奖。
可是意外还是到来了，十年一个轮回，2015年，学术上无比出色的Geoffrey Marcy，被爆出了性骚扰丑闻而名声扫地，更是被所在的加州大学伯克利分校开除。不知道这跟他最早使用的望远镜被刷成黄色是否有关系……但显然诺贝尔奖已经不可能再有他的名字。
6、说来说去，发现这颗系外行星的意义究竟在哪？
有人可能会说了，就发现一颗系外行星，你也说了，这颗星外号热木星，离恒星很近，不宜居，我也不能搬家去那儿，不是说诺奖都要颁给为人类作出重大贡献的人吗？所以他俩到底是为啥拿了诺奖呢？
一句话：1995年飞马座51b的发现，改变了人类对于行星形成认知，也开启了系外行星研究的新时代。
早已退休的Michel Mayor教授，依然还继续着对系外行星的探索，他所领导的著名系外行星搜寻项目HARPS计划，是目前世界上精度最高的视向速度探测器。
他当年的学生Didier Queloz，也已经成为了剑桥大学的教授，并且活跃在系外行星前沿研究领域，领导着多个欧洲的地面和空间系外行星探测计划。
系外行星作为天体物理学领域的年轻分支，在近三十年来得到了蓬勃的发展。探测方法不断革新，研究手段有了更长足的进步，研究内容也从最初的寻找行星确定基本性质，到现在已经可以深入研究行星大气。
从图中可以清楚看到，近二十年系外行星发现的数量急速上升
从1995年的第一颗，到现在的4000多颗，我们不仅仅知道了系外行星的存在，还知道了系外行星是在恒星周围普遍存在的，这从一到多的过程，对于人类的认识无疑是革命性的。
从热木星，到超级地球再到类地行星，我们已经不仅仅可以发现大个头的系外行星，还发现了更多与我们地球质量大小类似的行星。更多地球兄弟姐妹的发现，无疑也为我们带来了更多的憧憬。从简单的测量行星周期质量半径，到现在可以探测到行星大气上可能存在的水分子和氧分子，我们的触手在一点点向系外生命靠近。
因此，毫不夸张地说，Mayor和Queloz的发现，开启了系外行星研究的新时代，使得系外行星成了当今天文学中最活跃的研究领域之一。
写在最后：
但是系外行星领域毕竟还很年轻，还没有出现类似找到另一个有生命星球这样重磅的发现。他们的得奖多少有些突然，让很多天文学家都没有心理准备，在我的心中，诺奖他们是迟早能获得的，只不过来的比预想中早了一些。所以我想，可能这也是诺奖评委会为了激励系外行星和外星生命探索，同时让公众更多了解这一领域的方式。
比所在研究领域的前辈获奖更令人开心的是，未来大型的空间地面望远镜，将用更先进的设备进一步深入细致地研究我们近邻的系外行星，期待人类能够有一天揭开它们上面生命存在的奥秘。
本文由科普中国融合创作出品，序列号制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，科普中国是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
本文出品自科学大院公众号（kexuedayuan），转载请注明公众号出处。
科学大院是中科院官方科普微平台，由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营，致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声。
