撰文：季江徽
北京时间2019年10月8日，瑞典皇家科学院宣布将2019年诺贝尔物理学奖授予三位天体物理学家：美国普林斯顿大学教授詹姆斯·皮布斯（James Peebles）、瑞士日内瓦大学教授米歇尔·麦耶（Michel Mayor）和日内瓦大学、剑桥大学教授迪迪尔·奎洛兹（Didier Queloz），以表彰他们为“理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置”做出的贡献。这是2000年以来，诺贝尔物理学奖第6次垂青天体物理领域相关的研究成果。
发现
詹姆斯·皮布斯因“物理宇宙学的理论发现”获得表彰，我们暂且按下不表，重点说说今年物理奖的另一项成果“发现了一颗围绕太阳型恒星运行的系外行星”。如果说詹姆斯·皮布斯的物理宇宙学理论发现是指引天文学家走向宇宙的暗处，那么米歇尔·麦耶和迪迪尔·奎洛兹师徒二人则是打开了一扇通往太阳系外世界探索的明窗。
1995年10月6日，米歇尔·麦耶和迪迪尔·奎洛兹公布了他们发现的第一颗环绕主序恒星飞马座51（51 Pegasi）的系外行星：51 Pegasi b，它的公转周期只有4.23天，其中央恒星为一颗与太阳类似的G型恒星。他们利用法国南部上普罗旺斯天文台（Observatoire de Haute-Provence，OHP）一架口径1.93米的望远镜观测到其视向速度信号，证认了51 Pegasi b是一颗与太阳系内最大的行星木星相当的气态巨行星，这项工作发表于1995年10月的《自然》期刊，自此开启了天文学与行星科学的一场划时代的革命。
法国上普罗旺斯天文台1.93米口径望远镜| 图源：OHP
溯源
人类对于系外行星与地外文明的探索源于公元前4世纪亚里士多德提出的一个哲学命题——“我们在宇宙中是否孤独？”系外行星探索历史始终伴随着人类文明和科学的发展历程。早在16世纪，哥白尼“日心说”的早期支持者——意大利哲学家乔达诺·布鲁诺就提出了其他恒星与太阳相似，也有行星相伴的观点。18世纪，英国数学家和物理学家艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中也提到了类似的观点。
1952年，俄裔美国天文学家奥托·斯特鲁夫指出：系外行星可能比太阳系行星更接近它们的宿主恒星，并提出多普勒光谱测量和凌星法(Transit)可以探测到短周期轨道上的超级木星(Super-Jupiter)。
1992年1月9日，射电天文学家Aleksander Wolszczan和Dale Frail宣布发现了两颗围绕脉冲星 PSR 1257+12公转的行星。这一发现得到了证实，并且被认为是对系外行星的首次明确探测。
直至1995年，随着高精度视向速度终端仪器的研发和探测精度的不断提升，第一颗热木星51 Pegasi b被发现。恒星受到围绕它公转的行星的引力扰动，会发生移动，通过对恒星这种移动的视向速度的监测，便可得出绕转行星的相关信息。51 Pegasi b是天文学家发现的第一颗围绕主序恒星的系外行星。这一发现开创了现代系外行星探测新时代。
51 Pegasi视向速度测量。正值表示远离我们，负值表示靠近我们。| 图源：Nature
今天，系外行星的探测手段已从早期的视向速度法(Radial Velocity)，发展为凌星法(Transit)、天体测量法(Astrometry)、直接成像法(Direct Imaging)、微引力透镜法(Microlensing)及脉冲星计时法(Pulsar Timing)等方法。
51 Pegasi 行星系统与太阳系比较 | 图源：NASA/JPL-Caltech
目前在银河系中发现并确认的系外行星已超过4100多颗，特别是Kepler空间望远镜发现了超过2300多颗行星，这些行星大小不一形态各异，包括热木星、亚海王星、类地行星、超级地球等类型，与我们所熟悉的太阳系大行星迥然不同。
各种类型的系外行星族群及对应探测方法 | 图源：NASA
2019年诺贝尔物理学奖的桂冠让更多人了解了这项伟大的工作。
未来
未来，针对地外生命和宜居行星系统的搜索将成为系外行星研究的前沿课题，特别是那些位于类太阳型恒星的宜居带、与地球类似的所谓宜居行星是人类追寻系外行星探测的终极目标。
天文学家将行星系统中适合生命的行星轨道范围称为“宜居带”。这个范围主要取决于中央恒星的类型和辐射强度，与中央恒星相隔一段合适的距离，此处的行星表面平均温度能够使液态水稳定存在，可能拥有与地球类似的生命环境条件。
在我们太阳系，宜居带大致分布在金星轨道到火星轨道之间，地球刚好在其中。2007年发现的Gliese 581c被认为是人类发现的第一颗在宜居带的系外类地行星。
然而，生命的稳定存在还有许多其它条件，如足够长的恒星和行星寿命以供生命产生、适宜的恒星光度、稳定的低离心率行星轨道和自转倾斜度、合适成分的行星大气等。
找到了处于宜居带的系外类地行星又如何判断它们是否适合生命存在呢？
这可以通过寻找行星大气光谱中的“化学指纹”来判断。行星本身不发光，而是反射中央恒星发出的光，同时产生红外辐射。若它具有大气，则行星大气会吸收部分恒星辐射和行星本身的红外辐射。
通过凌星法探测并比较恒星在被行星遮掩前后的光谱变化，即可得到行星大气的化学成分信息；此外，科学家亦可直接观测得到行星的可见光和红外光谱。分析这些光谱后，可以知道大气中是否有水、二氧化碳、甲烷、氧气（或臭氧）等适合生命存在的重要化学成分，这些化学成分的组合被称为“化学指纹”。未来的空间任务如JWST、ARIEL将在这方面给出科学线索。
征途
我国天文学家利用南极冰穹A得天独厚的天文观测台址条件，通过一架50厘米口径的南极巡天望远镜（AST）观测，用凌星法发现了近100多个系外行星的候选体，有待进一步观测认证。推进中的中国南极昆仑站天文台也将地球质量大小的系外行星搜寻作为主要科学目标之一。
中国科学院在“空间科学（二期）”战略性先导科技专项前瞻性布局了系外行星探测方向，期望通过搜寻发现太阳系近邻类太阳恒星宜居带的类地行星。科学家们积极推进“近邻宜居行星巡天计划”，希望通过发射一个1.0米级口径的空间望远镜，基于高精度天体测量和定位技术观测距离地球32光年外100个类太阳恒星，搜寻类地宜居行星。
我国载人空间站上也将搭载的高对比度系外行星成像仪，利用直接成像法来研究系外行星大气，提供系外生命的可能线索。此外，中国正在积极参与建设的国际合作项目30米望远镜（TMT）和平方公里阵（SKA）均把系外行星的搜寻作为重要研究目标之一。
我们有理由相信，人类最终将能够回答“我们在宇宙中是否孤独？”这一古老的问题，并深刻了解地球乃至人类在宇宙中的位置。“我们的征途是星辰大海”，需要“携手探索浩瀚宇宙 共创人类美好未来”的情怀。
作者简介
季江徽：中国科学院紫金山天文台“行星科学与深空探测实验室”首席研究员，中国科学院行星科学重点实验室主任。研究方向：太阳系小天体动力学、系外行星系统形成与动力演化、深空探测轨道和技术等。
[本文转载自中国科学院紫金山天文台微信公众号]
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