如何探测系外行星？宇宙中真的存在其他生命吗？

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摘要： 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。...

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米歇尔·马约尔（Michel Mayor）

翻译

赵金瑜

校译

玛雅蓝

米歇尔·马约尔是一位来自瑞士的天体物理学家，他获得了2019年诺贝尔物理学奖，这幅图片的来源是Franck.schneider，授权协议为CC BY-SA 3.0，图片通过维基媒体共享获取

人类能够思考的最具趣味性、最富刺激感、最发人深省的议题之一便是：宇宙其他区域是否孕育着生命体？这一议题持续点燃了无数科幻创作者、科研工作者以及充满求知欲者的心智火花。本文旨在阐述我们如何探测到首颗环绕类太阳恒星公转的天体（即系外行星），这项成就使我荣获了2019年诺贝尔物理学奖。我还会向你说明，这项发现之后科研人员获得的成就，还有研究宇宙其他区域是否住有生物时遇到的困难。我们距离解决这个持续很久的疑问还有多长距离？现在就让我们去寻找答案。

能够想到在宇宙某个角落或许有其他生命存在吗？一开始，这个念头好像挺不切实际或者让人费解。不过，身为天体物理学者，我可以明确地说，这个情况确实存在不小的可能性。缘由何在呢？毕竟宇宙里行星实在太多了，多到难以估量，而且其中不少行星的环境条件或许对生命的孕育相当适宜。在详细研究银河系外生命存在或不存在的情况之前，让我们先了解一下人类是如何探测到太阳系以外天体的。

如何探索宜居行星

寻找适合已知生命形态的宜居星球，需要关注与地球相似的行星，这些行星必须公转于能发光发热的恒星周围，这样的恒星能为生命演化提供适宜的温度和能量环境，其作用类似于太阳对地球的影响然而，当存在一个光辉的恒星（比如太阳）和一个光暗的行星（例如地球）时，研究者无法直接观测到那个行星，原因是行星反射的光辉被明亮恒星散发出来的光芒完全遮蔽了。比如，太阳的光度比环绕它公转的所有行星反射的光度高出百亿倍之多。为此，我们必须找寻能够间接揭示行星存在的方法。一种技术需要观察这颗天体使邻近恒星移动轨迹发生的改变,要明白这种技术,必须掌握两个要点,分别是光带现象和频移原理。

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人们或许清楚，单个原子的能量层级关联着其核心附近电子的运转状态。光线行进至某个原子时，会摄取具备特定波长的那部分光波，该波长值同原子的能量层级相吻合。随后，原子会自行释放光线，不过其振动速率同先前被摄取的光波速率略有差异（换言之产生了变化）。各种原子（比如铁、氢、钙等）所呈现的这种差异都是独一无二的。这表明，只要我们能够探测到原子相互作用后放出的光，并研究它的波长，就能识别出该原子的独特标记。在光谱与原子接触前是完整无缺的，但在探测到的光谱中，可以看到某些特定波长的减弱，表现为暗线，或者增强，呈现为亮线。这些现象被称为光谱线。

遥远行星的光谱线

恒星外部都弥漫着特定的元素混合物。因此，分析经过恒星外层的光线，便能识别出它独有的光谱标记，这些标记源自外层中存在的各类元素。我们可以借助光谱线上的细微变化，察觉到环绕该恒星的行星。这些微小的变化源于多普勒现象。

多普勒效应

你是否留意过，救护车向你驶来时，喇叭声调会变高变刺耳，而它离你远去时，声音会变低变沉闷？其实喇叭发出的声响本身并无改变。原因是救护车靠近时，每个声波传到你的时间都比前一个要短，造成声波频率的升高。这种声音在靠近你的时候会变得更响亮，在远离你的时候会变得更低沉，如图1所示。这种现象被称作多普勒现象。

图1展示多普勒现象，救护车向你右方驶近时，其发出声响的音调会显得比它向左方远离时更为尖锐，原因是声音传播速度的差异，这种变化是站在接收者立场感受到的音调波动，而警报器本身的振动频率并未发生改变。

所有波都有这个特点，光也不例外。所以，当类似恒星的光源朝我们驶来时，它的光波谱会偏向波长较短、频率较高的方向，这种现象叫做蓝移。相反，当它背向我们而去时，光波谱会偏向波长较长、频率较低的方向，这种现象叫做红移。行星围绕恒星公转，会对恒星运动产生作用力，导致恒星沿着行星轨道形成的椭圆轨迹移动，因此恒星有时朝向地球，有时则背向地球。恒星朝向地球和背向地球的变化，会引起其光谱线的移动。综合来看，我们可以借助测量恒星光谱线的多普勒频移，从而间接判断出存在围绕恒星运转的行星（图2）。

图2借助多普勒现象寻找遥远星系的行星。有颗不可见的系外行星环绕着一颗距离遥远的恒星公转，促使该恒星沿着椭圆形路径移动。这颗恒星时而朝向地球方向行进，时而背向地球退去。受多普勒现象影响，恒星辐射的光谱线频率随之改变，当恒星朝向地球时，频率会增大（呈现蓝色），当它远离地球时，频率会减小（显现红色）。这种变化可以用来推断系外行星的存在（图源ESO）。

互相关技术

借助多普勒原理寻找隐匿行星，是个艰巨任务。系外行星造成的恒星速度波动，不过每秒几米，甚至更微弱。如此细微的波动，导致恒星光谱的多普勒频移，不足其发射波长的十亿分之一个（1/1,000,000,000）。这变化极其微小，单凭一条光谱线的多普勒偏移，难以精确测定。

如何使这个测量更加精确呢？我们运用了一种称为互相关的方法，这是一种非常巧妙的手段。这种方法在八九十年代得到了改进，并且在我们寻找太阳系以外行星的过程中起到了关键作用。

这项技术的核心在于，当我们观测目标恒星时，并不仅仅追踪单一谱线的位移，而是着眼于多普勒效应引发的所有谱线同步的移动变化。为了实现这一目的，我们借助了CORAVEL光谱仪（见图3A）。该光谱仪内部配备了一个带有开孔的挡板（见图3B），这些开孔的位置恰好对应着预期中来自特定恒星的光线里显现出暗淡谱线的区域。所有从这些孔中穿过的光线都会被导向一个探测器，当恒星的光谱暗线正好对准孔的位置时，我们接收到的透射光线最弱，如图3C左侧所示，但如果由于系外行星导致恒星运动出现多普勒效应，那么成千上万条光谱线的位置会同时发生偏移，相对于板上的孔的位置，通过孔的光线数量将会增多，如图3C右侧所示出现这种多普勒频移现象时，我们必须移动平板，让孔重新与暗谱线吻合，这样探测器接收到的透射光就会变得最弱。

图3 通过CORAVEL光谱仪完成互相关测量工作。（A）操作人员在智利拉西拉天文台处，站在CORAVEL光谱仪旁边。（B）CORAVEL板及其上的孔洞（呈现黑色条纹），我们采用该板件，配合互相关方法，检测飞马座51传来的多个（暗）谱线所产生的多普勒频移现象。CORAVEL望远镜接收恒星发出的光线，并将其反射到有孔的板上，当黑色条纹与板上的孔完全吻合时，射向光探测器的光线最为微弱，围绕恒星公转的行星会导致多普勒效应，黑色条纹发生位移不再与孔洞一致，大量光线得以穿过平板，最终抵达探测器观测到的光线强度上升，表明光谱线发生了偏移，由此可以推测，有一颗天体正环绕着恒星公转。

图源：（A）ESO和（B）参考文献。

所以，观测恒星在轨道上两个点的光谱线，再调整平板让两次检测的光都最弱，就能明白平板在恒星两个位置间移动了多少距离。只有因为系外行星，让恒星的光谱线出现多普勒效应，我们才会看到平板在两个最暗的光谱区间之间移动。根据恒星谱线产生的多普勒效应，再参照其他观测数据，我们就能掌握所发现的外部行星的相关属性。

各种关联技术使我们能够将多个独立光谱线的多普勒频移数据合并成一个统一物理值，这个物理值被称为多普勒速度，它能够体现近轨道行星存在所引起的恒星速度波动，借助多普勒速度，并配合其他测量数据，我们不仅能够确认行星的存在，还能确定它的质量、体积，以及它环绕恒星公转的周期。1995年，我和同事迪迪埃·奎洛兹借助这一途径，侦测到了飞马座51b，该天体是人类识别出的首个位于其他恒星系统的行星。

飞马座51b：人类发现的第一颗围绕类太阳恒星运动的系外行星

飞马座51b，如图4A所示，是一颗位于银河系飞马座4的行星，与地球相距约50光年，折合约47万亿公里之遥。该行星表面温度极高，大约达到1000摄氏度。它以一颗名为飞马座51的类太阳恒星为中心进行公转，一个完整的公转周期大约需要4.2天。飞马座51b的构成物质以气体为主，因此被划归为与木星类似的气态巨行星。它的运行路径紧贴着发光体，因此也被称作“炽热气态行星”。飞马座51b的体重只有木星的五三，体积极为木星的两五倍。飞马座51的主星比太阳更为沉重，十一成分量，体积也大上二三成。

图4（A）描绘了飞马座51b这颗系外行星，它是一颗气态星球，呈小圆点状，正环绕着其恒星运行，整个画面是艺术创作的结果，这颗行星距离地球大约五十光年，同时也是人类首次发现的，在类太阳恒星周围公转的行星。（B）我和我的同事迪迪埃·奎洛兹，当时位于智利拉西拉天文台，站在3.6米HARPS望远镜的前方。自2003年起，HARPS望远镜便配备了由我们研制的互相关技术，该技术旨在搜寻系外行星。

图片素材源自NASA/JPL-Caltech（A）以及L. Weinstein/Ciel et Espace Photos（B）。

前面交代过，飞马座51b是首颗被人类探测到环绕恒星活动的系外天体，这颗恒星与该行星本身具备极高科研价值，其发现还促使行星探索领域实现了两项关键性突破。早先，研究者们对于太阳系以外是否存在围绕恒星公转的天体并不明了，飞马座51b的发现证实了这类天体确实存在，并且可以通过相互关联的方法加以识别，此外，这一发现还验证了行星迁移的理论，该理论指出天体可以在岁月流逝中改变轨道，向其环绕的中心天体移动得更加近。这类环绕恒星运行且距离很近的巨型气体星球，对天文学研究者极具研究价值，因为它们能借助关联观测法获得更早的确认。在探测到飞马座51b这颗行星之前，科研人员普遍认为，这类巨行星的公转周期不会低于十年，这表明依靠多普勒原理寻找行星，通常需要长达十年的观测时间。我们的研究成果揭示，此类天体的运行周期或许不足数日，仅为原先预估的千分之一，因而部分太阳系外的世界有望在极短时间内被发现。

这两项进展显著提高了对围绕恒星公转的系外行星的搜寻能力。目前，天文学家已经识别出超过五千颗此类天体。这一成就为探索宇宙中潜在的生命迹象奠定了关键基础。

宇宙中的生命

我们如今对生命的理解包含三个方面：生命体必须能抵御外界条件影响，可以与周围环境互动，还要能将信息传给后代。信息的传递依靠由长链原子和分子构成的物质完成，这种物质被称为遗传物质或DNA。但这种物质十分容易受到破坏。DNA分子对温度和湿度有严格要求。这表明，倘若某颗遥远星球上存在生命体，那么它必然要符合这些环境要求。那么，发现这样一个星球的几率有多大呢？诚然，鉴于宇宙中行星数量众多，我们完全有理由相信，其中相当一部分行星具备孕育生命的条件。然而，身为研究者，我们并不止步于笼统地断言“确实，存在这种可能”——我们渴望直接证实这一点。

寻找外星生命，最直接的方式是派遣探测器，前往那些星球进行实地考察并记录影像资料。然而，基于现有的科技水平以及对物理学的认知，这种做法并不可行，主要原因是探测器行进至那些极其遥远的星球需要耗费漫长的岁月，并且需要巨大的能源支持。所以，我们不得不借助远程探测手段，依靠间接的测量和观测，来推测某个星球上是否具备生命迹象。借助光谱技术，能够剖析遥远行星上空的气体构成。地球大气里的氧气，包括臭氧，还有氮气、甲烷和二氧化碳，这些化学物质的谱线我们已经相当了解。因此，可以试着在别的星球大气里，探求是否也有相似的光谱特征。尽管这类方法，以及别的研究手段，前景看好，不过实施起来相当繁琐，必须加以完善才能施展。所以，识别系外星球是否存在生命以及怎样识别，这对你们这些年轻的科研工作者而言，依旧是一个艰巨的考验！

给小读者们的建议

我深信，要成为研究者，必须具备旺盛的求知欲。科研并非普通的职业，它不只是为了获取报酬。然而，只要你对科研领域的任何课题都抱有探索欲，相信从事这项工作你会感到无比愉悦——道理就是这么直接。我从未为投身科研而感到懊悔。对我而言，作为一名研究者的快乐之处，在于能够与来自五湖四海的同行共事。这种在全球许多地方都有朋友的感觉真好。

我还觉得，对于研究者而言，擅长与他人合作十分关键。多年来，我负责过若干个科研团队，察觉到哪怕个别成员配合不力，都会波及整个集体的效能。身为团队的一份子，务必与同僚和睦相处，并且甘愿一同投入工作。所以，务必选择合适的伙伴同行，并且乐于享受日常的交流互动。

名词释义：HABITABLE PLANET 宜居行星

满足生命体生存必须条件的行星。

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

波的长度（振动快慢）随其发出点对看的人是靠近还是远离而出现变化的自然现象。

关联分析手段交叉对比方法

通过分析遥远恒星光谱线因多普勒效应产生的变化，可以识别太阳系外的行星存在。

SPECTROMETER 光谱仪

一种用于观测光谱的装置，我们借助它来研究来自遥远恒星和行星的光芒。

DOPPLER VELOCITY 多普勒速度