怎么勘探系外行星？世界中还有其他生命吗？

liukang202418小时前今日吃瓜905

作者

米歇尔·马约尔（Michel Mayor）

翻译

赵金瑜

校译

玛雅蓝

米歇尔·马约尔（Michel Mayor），瑞士天体物理学家，2019年诺贝尔物理学奖得主。图源：Franck.schneider, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

咱们能够向自己提出的一个最风趣、激动人心、引人遥想的问题是：世界中其他当地是否存在生命？这个问题激发了一代代科幻作家、科学家和猎奇的人们的幻想力。在这篇文章中，我将介绍咱们如安在太阳系外发现了榜首颗盘绕类日恒星运转的行星（系外行星）——我因这一作业取得2019年诺贝尔物理学奖。我还将告知你，自这项发现以来科学家取得的开展，以及探究世界中其他当地是否存在生命这一问题所面对的应战。咱们离回答这个长期存在的问题还有多远？让咱们一探终究。

你能幻想在世界的某个当地或许存在着其他的生命方式吗？起先，这种主意好像有点想入非非或难以了解。可是，作为一名天体物理学家，我能够告知你，这实际上是很有或许的。为什么呢？因为世界中有十分多的行星，数量多得难以幻想，其间一些行星的条件或许很适宜构成生命。在深入探讨世界中其他生命的或许性之前，先来看看咱们是怎么发现太阳系之外的行星的吧。

怎么探究宜居行星

在寻觅或许承载咱们所知的生命方式的宜居行星时，咱们要找的是与地球相似的行星。一个必要条件便是，这些行星应该盘绕一颗能够辐射热量和光线的恒星运转。这颗恒星能为生命的开展供给适宜的温度和能量产生的条件，就像太阳对地球的效果相同。可是，当一颗昏暗的行星（如地球）周围有一颗亮堂的恒星（如太阳）时，科学家并不能直接勘探到该行星，因为行星反射的光线被亮堂恒星的光线所掩盖。例如，太阳的亮度比盘绕它运转的每一颗行星所反射的光都要高十亿倍。因而，咱们需求开发直接的办法来勘探行星的存在。其间一种办法涉及到检测这颗行星对邻近恒星的运动速度形成的改动。要了解这种办法，咱们有必要了解两个概念——光谱线和多普勒效应。

光谱线

你或许知道，每个原子的能级都与其原子核周围电子的运动相对应。当光穿过一个原子时，与原子能级相对应的特定波长的光被原子吸收，接着原子又会自发地发射出光，但其频率与被吸收光的频率稍有不同（即产生了偏移）。每种原子（铁、氢、钙等）的偏移都是特定的。这意味着，假如咱们能够检测到与原子相互效果后的发射光，剖析它的波长，就能得到该原子的特定“指纹”。光谱在与原子相互效果之前是接连的，而勘探到的光谱上能够看到特定波长的削弱（暗线）或增强（亮线）。这些线被称为光谱线。

悠远行星的光谱线

每颗恒星周围的大气层中都有特定的原子组合。所以，经过勘探穿过恒星大气层的光，咱们就能得到它一起的谱线指纹，这是由恒星大气层中各式各样的原子产生的。咱们能够运用这些光谱线上的细小偏移来揣度出盘绕这颗恒星运转的行星的存在。这些小的偏移是由多普勒效应引起的。

多普勒效应

你有没有注意到，当一辆救护车鸣笛向你驶来时，警报器的腔调会产生改动——它朝你开来的时分腔调变得更高、更尖利，脱离时腔调变得更低、更柔软？实际上，警报器宣布的声响并没有改动。改动的是当救护车挨近你时，每个声波抵达你的时刻比前一个声波要短，导致了声波频率的添加。这使得警笛声在挨近你时变得短促，在远离你时变得陡峭（图1）。这种调查到的频率改动称为多普勒效应。

图1多普勒效应。当一辆救护车鸣笛向你（右边的人）驶来时，警报器的声响比它远离你（左面的人）的时分更快地抵达（频率更高）。这种效应是从调查者的视点看到的频率改动。警笛声的频率实际上没有改动。

任何类型的波都遵从这一规则，包含光。因而，当像恒星这样的发光物体向咱们移动时，它的光谱将会向短波长、高频率移动（称为蓝移），而当它远离咱们时，光谱会向长波长、低频率移动（称为红移）。而当行星盘绕着恒星运转时，行星的引力会影响恒星的运动——恒星沿着由行星轨迹引起的椭圆轨迹运动，所以恒星有时分向地球移动，有时分远离地球。恒星相关于地球运动方向的改动会引起恒星光谱线的改动。总的来说，这意味着咱们能够经过丈量恒星光谱线的多普勒频移，来直接揣度出盘绕恒星运转的行星的存在（图2）。

图2运用多普勒效应勘探系外行星。一颗看不见的系外行星盘绕着一颗悠远的恒星运转，导致这颗恒星沿着椭圆轨迹运动。这颗恒星有时向地球移动（1），有时远离地球（2）。因为多普勒效应，咱们看到恒星宣布的光谱线频率产生了改动，当恒星向地球移动时，频率会更高（蓝色），当远离地球时，频率会更低（赤色）。这种改动能够用来揣度系外行星的存在（图源ESO）。

互相关技能

运用多普勒效应来勘探看不见的行星的存在，是一个很大的应战。由系外行星引起的恒星速度的改动仅有几米每秒，乃至更小。这样细小的改动意味着，恒星光谱线的多普勒频移还不到其发射波长的十亿分之一（1/1,000,000,000）[1]。这是一个十分小的改动，仅靠一条光谱线的多普勒频移是无法准确丈量的。

那么，咱们用什么办法进步这一丈量的精度呢？咱们运用了另一个奇妙的技巧，称为互相关技能。该技能在20世纪80年代到90年代得到了优化，在咱们勘探太阳系外行星的作业中发挥了重要效果。

这一技能的要害思维是，在对感爱好的恒星进行丈量时，咱们不是只重视一条谱线的偏移，而是重视多普勒效应导致的一切谱线的团体偏移。为此，咱们运用了称为CORAVEL光谱仪的设备（图3A）[1, 2]。CORAVEL光谱仪中有一块带孔的平板（图3B），这些孔正好坐落咱们预期来自特定恒星的光线中呈现暗谱线的方位。一切经过这些孔的透射光都被送到一台勘探器上。当恒星的暗谱线正好坐落孔的前面时，咱们检测到的透射光最少（图3C，左）。可是，假如因为系外行星影响了恒星的运动而产生了多普勒频移，那么相关于板上的孔的方位，不计其数条光谱线的方位将一同移动，经过孔的透射光量将会添加（图3C，右）。在产生这种多普勒频移后，咱们需求移动平板，使孔再次与暗谱线对齐，这样勘探器检测到的透射光又会变到最少。

图3 运用CORAVEL光谱仪进行互相关丈量。（A）作业人员站在坐落智利拉西拉地理台的CORAVEL光谱仪前。（B）原始的CORAVEL板及其孔洞（黑色条纹），咱们运用这块平板，凭借互相关技能勘探从飞马座51抵达的许多（暗）谱线的多普勒频移。（C）CORAVEL望远镜搜集来自恒星的光线，并投射到带孔的板上。当黑线与板上的孔对齐时，抵达光勘探器的光量最少（左图，“对齐”）。盘绕这颗恒星运转的行星的存在引发了多普勒效应，黑线移动之后不再与孔对齐，此刻很多的光经过平板并抵达勘探器（右图，“未对齐”）。检测到的光量添加反映出光谱线方位的改动，使咱们能够揣度出存在一颗盘绕恒星运转的行星。[图源：（A）ESO和（B）参考文献 [1]。]

因而，经过丈量恒星在其轨迹上两个方位的吸收光谱线，并移动平板使两次检测到的光量都变到最小，咱们就知道平板在榜首个最小值（恒星的榜首个方位）和第二个最小值（恒星的第二个方位）之间移动了多少。正是因为系外行星的存在，导致恒星光谱线产生多普勒频移，咱们才调查到了平板在两个暗谱之间的移动。经过核算恒星谱线的多普勒频移，结合其他丈量，咱们便能够了解勘探到的系外行星的特征。

互相关技能让咱们能够把来自一切独自光谱线的多普勒频移信息聚合到一个单一物理量中。这个物理量称为多普勒速度，因为它能标明由近轨行星的存在而导致的恒星速度改动。运用多普勒速度，结合其他的一些丈量，咱们不只能够揣度出行星的存在，还能够得知它的质量、巨细，以及盘绕恒星运转一周所需的时刻。1995年，我和伙伴迪迪埃·奎洛兹运用这种办法发现了飞马座51b——这是人类发现的榜首颗系外行星[3]。

飞马座51b：人类发现的榜首颗盘绕类太阳恒星运动的系外行星

飞马座51b（图4A）是一颗间隔地球约50光年（约47万亿公里！）的行星，坐落银河系的飞马座4。它的温度很高，约有1000摄氏度。它盘绕着一颗名为飞马座51的类太阳恒星运转，公转一周大约4.2天。飞马座51b主要由气体组成，被归类为像木星相同的气态巨行星。因为它的轨迹十分挨近恒星，它有时也被称为“热木星”。飞马座51b的质量比木星轻约47%，体积比木星大50%。飞马座51恒星比咱们的太阳重约11%，体积大23%。

图4（A）飞马座51b系外行星（小球体）和它所盘绕的恒星的艺术体现图。飞马座51b是一颗气态行星，间隔地球约50光年。它是咱们在太阳系外发现的榜首颗盘绕类太阳恒星运转的行星。（B）我的伙伴迪迪埃·奎洛兹（左）和我站在智利拉西拉地理台的3.6米HARPS望远镜前。自2003年以来，HARPS望远镜就搭载了咱们开发的互相关技能，用来查找系外行星。[图源：NASA/JPL-Caltech（A）和L. Weinstein/Ciel et Espace Photos（B）。]

正如前面说到的，飞马座51b是人类发现的榜首颗盘绕恒星运转的系外行星。这颗恒星和系外行星本身就很有研讨价值，并且这个发现也给行星勘探范畴带来了两项打破性开展。榜首，此前科学家并不确认，在世界中除太阳系之外的当地是否还存在着盘绕恒星运转的行星，飞马座51b的发现证明这样的行星的确存在，并且能够用互相关技能勘探到。第二，它证明了一个叫做行星搬迁的假定，即跟着时刻的推移，行星能够产生位移，更挨近它们所盘绕的恒星。关于天体物理学家来说，这种与它们所盘绕的恒星十分挨近的巨行星十分具有吸引力，因为它们能够更快地运用互相关技能被调查到。在发现飞马座51b之前，科学家以为巨行星的轨迹周期不或许短于10年，这意味着运用多普勒效应勘探一颗行星需求10年的时刻！但咱们的发现标明，这类行星的轨迹周期或许短至几天，只要预期的千分之一！这意味着一些系外行星能够在短短几天内勘探到。

这两项打破都极大地促进了对更多盘绕恒星运转的系外行星的勘探。现在，科学家现已发现了5000多颗这样的行星！这是朝着寻觅世界中或许的生命迈出的重要一步。

世界中的生命

咱们现在对生命的界说包含三个主要特征：生命体系应该能够维护本身不受环境影响，能与环境相互效果，并将其信息传递给下一代。这种信息的传递是经过长长的原子和分子链（称为遗传物质，或DNA）完成的，而这些物质十分软弱。DNA分子需求特定的温度和水分。这意味着，假如一颗系外行星上存在生命，它有必要满意这些环境条件。这样一来，找到这样一颗行星的或许性有多大？好吧，已然世界中有这么多行星，咱们必定能够必定，其间许多行星都有演化出生命的或许性。可是，作为科学家，咱们并不满意于简略地说“是的，很有或许”——咱们想直接证明这点。

要发现其他行星上的生命，最简略的办法好像是向它们发射航天器，四处调查并摄影。可是，以咱们现在的技能和对物理学的了解，这是不或许的，因为航天器抵达这些十分悠远的行星要花太长时刻，消耗极多的能量。因而，咱们需求运用长途勘探办法，经过直接的丈量和调查来判别某个星球上是否存在生命。例如，能够运用光谱来剖析系外行星大气中的化学成分。因为咱们十分了解地球大气中的氧气（臭氧）、氮气、甲烷和二氧化碳等化学成分的谱线，咱们能够测验在其他行星的大气中寻觅相似的光谱。这种办法以及其他的研讨办法，尽管很有出路，但十分复杂，需求经过改善才干发挥效果。因而，能否以及怎么勘探到系外行星上的生命这一重大问题，关于像你们这样的下一代年青科学家来说，仍然是一个了不得的应战！

给小读者们的主张

我信任，要成为一名科学家，你需求有很强的猎奇心。科学不是一份“正常”的作业，它不只仅是为了赚钱。可是，假如你对科学中的任何问题都充溢猎奇，我信任成为一名科学家你会很高兴——便是这么简略。我从来没有懊悔挑选成为一名科学家。对我来说，作为一名科学家的趣味之一，是有幸与来自世界各地的人一同作业。这种在全球许多当地都有朋友的感觉真好。

我还以为，对科学家来说，长于团队协作十分重要。多年来，我一向领导着几个研讨小组，我发现即便只要一个人与团队协作较差，整个团队都会遭到负面影响。作为团队的一员，你应该和伙伴共处和谐，并愿意和他们一同作业。因而，要保证与适宜的人伙伴，并享用日常的互动。

名词释义：HABITABLE PLANET 宜居行星

满意生命体生计有必要条件的行星。

SPECTRAL LINE 光谱线

一条特定波长的光线，由原子吸收或发射出来。

DOPPLER EFFECT 多普勒效应

一束波的丈量波长（频率）跟着其源头朝向或远离调查者而改动的物理效应。

CROSS-CORRELATION TECHNIQUE 互相关技能

一种运用多普勒效应对来自悠远恒星的光谱线的影响来勘探太阳系外行星的办法。

SPECTROMETER 光谱仪

一种用来检测和剖析光谱的设备，咱们运用它来剖析来自系外恒星和行星的光。

DOPPLER VELOCITY 多普勒速度

近轨行星的存在引发的恒星速度改动。

EXOPLANET 系外行星

坐落太阳系之外的行星。

翻译对照表：Michel Mayor 米歇尔·马约尔

Cross-correlation technique 互相关技能

La Silla Observatory 拉西拉地理台

51 Pegasi b 飞马座51b

Didier Queloz 迪迪埃·奎洛兹

planetary migration 行星搬迁

参考文献：

[1]. Mayor, M. 2020. Nobel lecture: plurality of worlds in the cosmos: a dream of antiquity, a modern reality of astrophysics. Rev. Mod. Phys. 92:030502. Available online at: https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.92.030502

[2]. Baranne, A., Mayor, M., and Poncet J. L. 1979. Coravel-a new tool for radial velocity measurement. Vist. Astron. 23:279–316. doi: 10.1016/0083-6656(79)90016-3

[3]. Mayor, M., and Queloz, D. 1995. A Jupiter-mass companion to a solar-type star. Nature 378:355–9.

[4]. Schwieterman, E. W., Kiang, N. Y., Parenteau, M. N., Harman, C. E., DasSarma, S.,Fisher, T. M., et al. 2018. Exoplanet biosignatures: a review of remotely detectable signs of life. Astrobiology. 18:663–708. doi: 10.1089/ast.2017.1729

称谢：

感谢Noa Segev的采访并参加本文的编撰。感谢Sharon Amlani供给的图1、图2、图3C。

作者简介

Michel Mayor

米歇尔·马约尔（Michel Mayor）教授是一位瑞士天体物理学家，1942年出生于瑞士洛桑。11到16岁时，他有一位超卓的科学教师，这极大地激发了他对科学的爱好。在校园里，他是童子军中活泼的一分子，参加了徒步旅行、滑雪、在高海拔山区露营以及各种户外活动。

马约尔教授曾在洛桑大学学习，1966年取得理学硕士学位，研讨课题为自旋相互效果。随后他来到日内瓦地理台（日内瓦大学），1971年完成了关于螺旋星系密度波的博士论文，并于1988年成为教授。他还曾在剑桥大学、坐落智利的欧洲南边地理台和夏威夷大学作业。马约尔教授和伙伴们开发了几种准确丈量恒星速度的技能，并经过互相关技能改善了光谱线的多普勒频移丈量，终究完成了对系外行星的勘探。1995年，他与迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）教授一同发现了飞马座51b，这是在太阳系以外发现的榜首颗盘绕类太阳恒星运动的行星。这一发现为他赢得了2019年的诺贝尔奖。马约尔教授还曾取得阿尔伯特·爱因斯坦奖章（2004年）、邵氏地理学奖（2005年）、京都奖（2015年）和沃尔夫奖（2017年）等奖项。

马约尔教授与迪迪埃·奎洛兹教授一起取得了2019年的诺贝尔物理学奖，以赞誉他们发现了一颗盘绕类日恒星运转的系外行星，以及他们对了解世界演化和地球在世界中的方位做出的奉献。马约尔教授现在是日内瓦大学地理学系的名誉教授，一同也是日内瓦地理台的研讨员。马约尔教授与弗朗索瓦丝（Françoise）成婚，他们有三个孩子和五个孙辈。

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来历：赛先生

修改：利有攸往

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