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米歇爾·馬約爾（Michel Mayor），瑞士天體物理學(xué)家，2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。圖源：Franck.schneider, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

我們可以向自己提出的一個(gè)最有趣、激動(dòng)人心、引人遐想的問(wèn)題是：宇宙中其他地方是否存在生命？這個(gè)問(wèn)題激發(fā)了一代代科幻作家、科學(xué)家和好奇的人們的想象力。在這篇文章中，我將介紹我們?nèi)绾卧谔?yáng)系外發(fā)現(xiàn)了第一顆圍繞類日恒星運(yùn)行的行星（系外行星）——我因這一工作獲得2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。我還將告訴你，自這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)科學(xué)家取得的進(jìn)展，以及探索宇宙中其他地方是否存在生命這一問(wèn)題所面臨的挑戰(zhàn)。我們離解答這個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題還有多遠(yuǎn)？讓我們一探究竟。

你能想象在宇宙的某個(gè)地方或許存在著其他的生命形式嗎？起初，這種想法似乎有點(diǎn)異想天開或難以理解。但是，作為一名天體物理學(xué)家，我可以告訴你，這實(shí)際上是很有可能的。為什么呢？因?yàn)橛钪嬷杏蟹浅６嗟男行?，?shù)量多得難以想象，其中一些行星的條件可能很適合形成生命。在深入探討宇宙中其他生命的可能性之前，先來(lái)看看我們是如何發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系之外的行星的吧。

你可能知道，每個(gè)原子的能級(jí)都與其原子核周圍電子的運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)光穿過(guò)一個(gè)原子時(shí)，與原子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的特定波長(zhǎng)的光被原子吸收，接著原子又會(huì)自發(fā)地發(fā)射出光，但其頻率與被吸收光的頻率稍有不同（即發(fā)生了偏移）。每種原子（鐵、氫、鈣等）的偏移都是特定的。這意味著，如果我們能夠檢測(cè)到與原子相互作用后的發(fā)射光，分析它的波長(zhǎng)，就能得到該原子的特定“指紋”。光譜在與原子相互作用之前是連續(xù)的，而探測(cè)到的光譜上可以看到特定波長(zhǎng)的減弱（暗線）或增強(qiáng)（亮線）。這些線被稱為光譜線。

每顆恒星周圍的大氣層中都有特定的原子組合。所以，通過(guò)探測(cè)穿過(guò)恒星大氣層的光，我們就能得到它獨(dú)特的譜線指紋，這是由恒星大氣層中各種各樣的原子產(chǎn)生的。我們可以利用這些光譜線上的微小偏移來(lái)推斷出圍繞這顆恒星運(yùn)行的行星的存在。這些小的偏移是由多普勒效應(yīng)引起的。

圖1 多普勒效應(yīng)。當(dāng)一輛救護(hù)車?guó)Q笛向你（右邊的人）駛來(lái)時(shí)，警報(bào)器的聲音比它遠(yuǎn)離你（左邊的人）的時(shí)候更快地到達(dá)（頻率更高）。這種效應(yīng)是從觀察者的角度看到的頻率變化。警笛聲的頻率實(shí)際上沒(méi)有變化。

任何類型的波都遵循這一規(guī)律，包括光。因此，當(dāng)像恒星這樣的發(fā)光物體向我們移動(dòng)時(shí)，它的光譜將會(huì)向短波長(zhǎng)、高頻率移動(dòng)（稱為藍(lán)移），而當(dāng)它遠(yuǎn)離我們時(shí)，光譜會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)、低頻率移動(dòng)（稱為紅移）。而當(dāng)行星圍繞著恒星運(yùn)行時(shí)，行星的引力會(huì)影響恒星的運(yùn)動(dòng)——恒星沿著由行星軌道引起的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，所以恒星有時(shí)候向地球移動(dòng)，有時(shí)候遠(yuǎn)離地球。恒星相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)方向的變化會(huì)引起恒星光譜線的變化?？偟膩?lái)說(shuō)，這意味著我們可以通過(guò)測(cè)量恒星光譜線的多普勒頻移，來(lái)間接推斷出圍繞恒星運(yùn)行的行星的存在（圖2）。

圖2 利用多普勒效應(yīng)探測(cè)系外行星。一顆看不見的系外行星圍繞著一顆遙遠(yuǎn)的恒星運(yùn)行，導(dǎo)致這顆恒星沿著橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。這顆恒星有時(shí)向地球移動(dòng)（1），有時(shí)遠(yuǎn)離地球（2）。由于多普勒效應(yīng)，我們看到恒星發(fā)出的光譜線頻率發(fā)生了變化，當(dāng)恒星向地球移動(dòng)時(shí)，頻率會(huì)更高（藍(lán)色），當(dāng)遠(yuǎn)離地球時(shí)，頻率會(huì)更低（紅色）。這種變化可以用來(lái)推斷系外行星的存在（圖源ESO）。

那么，我們用什么辦法提高這一測(cè)量的精度呢？我們使用了另一個(gè)巧妙的技巧，稱為互相關(guān)技術(shù)。該技術(shù)在20世紀(jì)80年代到90年代得到了優(yōu)化，在我們探測(cè)太陽(yáng)系外行星的工作中發(fā)揮了重要作用。

這一技術(shù)的關(guān)鍵思想是，在對(duì)感興趣的恒星進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們不是只關(guān)注一條譜線的偏移，而是關(guān)注多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的所有譜線的集體偏移。為此，我們使用了稱為CORAVEL光譜儀的設(shè)備（圖3A）[1, 2]。CORAVEL光譜儀中有一塊帶孔的平板（圖3B），這些孔正好位于我們預(yù)期來(lái)自特定恒星的光線中出現(xiàn)暗譜線的位置。所有通過(guò)這些孔的透射光都被送到一臺(tái)探測(cè)器上。當(dāng)恒星的暗譜線正好位于孔的前面時(shí)，我們檢測(cè)到的透射光最少（圖3C，左）。然而，如果由于系外行星影響了恒星的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生了多普勒頻移，那么相對(duì)于板上的孔的位置，成千上萬(wàn)條光譜線的位置將同時(shí)移動(dòng)，通過(guò)孔的透射光量將會(huì)增加（圖3C，右）。在發(fā)生這種多普勒頻移后，我們需要移動(dòng)平板，使孔再次與暗譜線對(duì)齊，這樣探測(cè)器檢測(cè)到的透射光又會(huì)變到最少。

圖3 使用CORAVEL光譜儀進(jìn)行互相關(guān)測(cè)量。（A）工作人員站在位于智利拉西拉天文臺(tái)的CORAVEL光譜儀前。（B）原始的CORAVEL板及其孔洞（黑色條紋），我們使用這塊平板，借助互相關(guān)技術(shù)探測(cè)從飛馬座51到達(dá)的許多（暗）譜線的多普勒頻移。（C）CORAVEL望遠(yuǎn)鏡收集來(lái)自恒星的光線，并投射到帶孔的板上。當(dāng)黑線與板上的孔對(duì)齊時(shí)，到達(dá)光探測(cè)器的光量最少（左圖，“對(duì)齊”）。圍繞這顆恒星運(yùn)行的行星的存在引發(fā)了多普勒效應(yīng)，黑線移動(dòng)之后不再與孔對(duì)齊，此時(shí)大量的光通過(guò)平板并到達(dá)探測(cè)器（右圖，“未對(duì)齊”）。檢測(cè)到的光量增加反映出光譜線位置的變化，使我們能夠推斷出存在一顆圍繞恒星運(yùn)行的行星。[圖源：（A）ESO和（B）參考文獻(xiàn) [1]。]

因此，通過(guò)測(cè)量恒星在其軌道上兩個(gè)位置的吸收光譜線，并移動(dòng)平板使兩次檢測(cè)到的光量都變到最小，我們就知道平板在第一個(gè)最小值（恒星的第一個(gè)位置）和第二個(gè)最小值（恒星的第二個(gè)位置）之間移動(dòng)了多少。正是由于系外行星的存在，導(dǎo)致恒星光譜線發(fā)生多普勒頻移，我們才觀察到了平板在兩個(gè)暗譜之間的移動(dòng)。通過(guò)計(jì)算恒星譜線的多普勒頻移，結(jié)合其他測(cè)量，我們便可以了解探測(cè)到的系外行星的特征。

互相關(guān)技術(shù)讓我們能夠把來(lái)自所有單獨(dú)光譜線的多普勒頻移信息聚合到一個(gè)單一物理量中。這個(gè)物理量稱為多普勒速度，因?yàn)樗鼙硎居山壭行堑拇嬖诙鴮?dǎo)致的恒星速度變化。利用多普勒速度，結(jié)合其他的一些測(cè)量，我們不僅可以推斷出行星的存在，還可以得知它的質(zhì)量、大小，以及圍繞恒星運(yùn)行一周所需的時(shí)間。1995年，我和同事迪迪埃·奎洛茲利用這種方法發(fā)現(xiàn)了飛馬座51b——這是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星[3]。

圖4 （A）飛馬座51b系外行星（小球體）和它所環(huán)繞的恒星的藝術(shù)表現(xiàn)圖。飛馬座51b是一顆氣態(tài)行星，距離地球約50光年。它是我們?cè)谔?yáng)系外發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞類太陽(yáng)恒星運(yùn)行的行星。（B）我的同事迪迪?！た迤潱ㄗ螅┖臀艺驹谥抢骼煳呐_(tái)的3.6米HARPS望遠(yuǎn)鏡前。自2003年以來(lái)，HARPS望遠(yuǎn)鏡就搭載了我們開發(fā)的互相關(guān)技術(shù)，用來(lái)搜索系外行星。[圖源：NASA/JPL-Caltech（A）和L. Weinstein/Ciel et Espace Photos（B）。]

正如前面提到的，飛馬座51b是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞恒星運(yùn)行的系外行星。這顆恒星和系外行星本身就很有研究?jī)r(jià)值，并且這個(gè)發(fā)現(xiàn)也給行星探測(cè)領(lǐng)域帶來(lái)了兩項(xiàng)突破性進(jìn)展。第一，此前科學(xué)家并不確定，在宇宙中除太陽(yáng)系之外的地方是否還存在著圍繞恒星運(yùn)行的行星，飛馬座51b的發(fā)現(xiàn)證明這樣的行星確實(shí)存在，而且可以用互相關(guān)技術(shù)探測(cè)到。第二，它證明了一個(gè)叫做行星遷移的假設(shè)，即隨著時(shí)間的推移，行星可以發(fā)生位移，更靠近它們所環(huán)繞的恒星。對(duì)于天體物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這種與它們所環(huán)繞的恒星非常接近的巨行星非常具有吸引力，因?yàn)樗鼈兛梢愿斓厥褂没ハ嚓P(guān)技術(shù)被觀察到。在發(fā)現(xiàn)飛馬座51b之前，科學(xué)家認(rèn)為巨行星的軌道周期不可能短于10年，這意味著使用多普勒效應(yīng)探測(cè)一顆行星需要10年的時(shí)間！但我們的發(fā)現(xiàn)表明，這類行星的軌道周期可能短至幾天，只有預(yù)期的千分之一！這意味著一些系外行星可以在短短幾天內(nèi)探測(cè)到。

這兩項(xiàng)突破都極大地促進(jìn)了對(duì)更多圍繞恒星運(yùn)行的系外行星的探測(cè)。如今，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了5000多顆這樣的行星！這是朝著尋找宇宙中可能的生命邁出的重要一步。

要發(fā)現(xiàn)其他行星上的生命，最簡(jiǎn)單的方法似乎是向它們發(fā)射航天器，四處觀察并拍照。但是，以我們目前的技術(shù)和對(duì)物理學(xué)的理解，這是不可能的，因?yàn)楹教炱鞯竭_(dá)這些非常遙遠(yuǎn)的行星要花太長(zhǎng)時(shí)間，耗費(fèi)極多的能量。因此，我們需要使用遠(yuǎn)程探測(cè)方法，通過(guò)間接的測(cè)量和觀察來(lái)判斷某個(gè)星球上是否存在生命。例如，可以使用光譜來(lái)分析系外行星大氣中的化學(xué)成分。由于我們非常熟悉地球大氣中的氧氣（臭氧）、氮?dú)?、甲烷和二氧化碳等化學(xué)成分的譜線，我們可以嘗試在其他行星的大氣中尋找類似的光譜。這種方法以及其他的研究方法，雖然很有前途，但非常復(fù)雜，需要經(jīng)過(guò)改進(jìn)才能發(fā)揮作用。因此，能否以及如何探測(cè)到系外行星上的生命這一重大問(wèn)題，對(duì)于像你們這樣的下一代年輕科學(xué)家來(lái)說(shuō)，仍然是一個(gè)了不起的挑戰(zhàn)！

我相信，要成為一名科學(xué)家，你需要有很強(qiáng)的好奇心。科學(xué)不是一份“正?！钡墓ぷ鳎粌H僅是為了掙錢。但是，如果你對(duì)科學(xué)中的任何問(wèn)題都充滿好奇，我相信成為一名科學(xué)家你會(huì)很開心——就是這么簡(jiǎn)單。我從來(lái)沒(méi)有后悔選擇成為一名科學(xué)家。對(duì)我來(lái)說(shuō)，作為一名科學(xué)家的樂(lè)趣之一，是有幸與來(lái)自世界各地的人一起工作。這種在全球許多地方都有朋友的感覺真好。

我還認(rèn)為，對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，善于團(tuán)隊(duì)協(xié)作非常重要。多年來(lái)，我一直領(lǐng)導(dǎo)著幾個(gè)研究小組，我發(fā)現(xiàn)即使只有一個(gè)人與團(tuán)隊(duì)協(xié)作較差，整個(gè)團(tuán)隊(duì)都會(huì)受到負(fù)面影響。作為團(tuán)隊(duì)的一員，你應(yīng)該和同事相處融洽，并樂(lè)意和他們一起工作。因此，要確保與合適的人搭檔，并享受日常的互動(dòng)。

HABITABLE PLANET 宜居行星

滿足生命體生存必須條件的行星。

SPECTRAL LINE 光譜線

一條特定波長(zhǎng)的光線，由原子吸收或發(fā)射出來(lái)。

DOPPLER EFFECT 多普勒效應(yīng)

一束波的測(cè)量波長(zhǎng)（頻率）隨著其源頭朝向或遠(yuǎn)離觀察者而改變的物理效應(yīng)。

CROSS-CORRELATION TECHNIQUE 互相關(guān)技術(shù)

一種利用多普勒效應(yīng)對(duì)來(lái)自遙遠(yuǎn)恒星的光譜線的影響來(lái)探測(cè)太陽(yáng)系外行星的方法。

SPECTROMETER 光譜儀

一種用來(lái)檢測(cè)和分析光譜的設(shè)備，我們使用它來(lái)分析來(lái)自系外恒星和行星的光。

DOPPLER VELOCITY 多普勒速度

近軌行星的存在引發(fā)的恒星速度變化。

EXOPLANET 系外行星 

位于太陽(yáng)系之外的行星。

Michel Mayor 米歇爾·馬約爾

Cross-correlation technique 互相關(guān)技術(shù)

La Silla Observatory 拉西拉天文臺(tái)

51 Pegasi b 飛馬座51b

Didier Queloz 迪迪?！た迤?/span>

planetary migration 行星遷移

[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

致謝：

感謝Noa Segev的采訪并參與本文的撰寫。感謝Sharon Amlani提供的圖1、圖2、圖3C。