若何探测系外行星，以及能否有其他生命？
做者
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
我们能够向本身提出的一个最有趣、冲动人心、惹人遐想的问题是：宇宙中其他处所能否存在生命？那个问题激发了一代代科幻做家、科学家和猎奇的人们的想象力。在那篇文章中，我将介绍我们若何在太阳系外发现了第一颗围绕类日恒星运行的行星（系外行星）——我因那一工做获得2019年诺贝尔物理学奖。我还将告诉你，自那项发现以来科学家获得的停顿，以及摸索宇宙中其他处所能否存在生命那一问题所面对的挑战。我们离解答那个持久存在的问题还有多远？让我们一探事实。
你能想象在宇宙的某个处所或许存在着其他的生命形式吗？起初，那种设法似乎有点异想天开或难以理解。但是，做为一名天体物理学家，我能够告诉你，那现实上是很有可能的。为什么呢？因为宇宙中有十分多的行星，数量多得不可思议，此中一些行星的前提可能很合适构成生命。在深切切磋宇宙中其他生命的可能性之前，先来看看我们是若何发现太阳系之外的行星的吧。
01
我的RNA研究之路
若何摸索宜居行星
在寻找可能承载我们所知的生命形式的宜居行星时，我们要找的是与地球类似的行星。一个需要前提就是，那些行星应该围绕一颗可以辐射热量和光线的恒星运行。那颗恒星能为生命的开展供给适宜的温度和能量产生的前提，就像太阳对地球的感化一样。但是，当一颗昏暗的行星（如地球）旁边有一颗亮堂的恒星（如太阳）时，科学家其实不能间接探测到该行星，因为行星反射的光线被亮堂恒星的光线所掩盖。例如，太阳的亮度比围绕它运行的每一颗行星所反射的光都要高十亿倍。因而，我们需要开发间接的办法来探测行星的存在。此中一种办法涉及到检测那颗行星对附近恒星的运动速度形成的变革。要理解那种办法，我们必需熟悉两个概念——光谱线和多普勒效应。
02
我的RNA研究之路
光谱线
你可能晓得，每个原子的能级都与其原子核四周电子的运动相对应。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，接着原子又会自觉地发射出光，但其频次与被吸收光的频次稍有差别（即发作了偏移）。每种原子（铁、氢、钙等）的偏移都是特定的。那意味着，若是我们可以检测到与原子彼此感化后的发射光，阐发它的波长，就能得到该原子的特定“指纹”。光谱在与原子彼此感化之前是持续的，而探测到的光谱上能够看到特定波长的削弱（暗线）或加强（亮线）。那些线被称为光谱线。
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我的RNA研究之路
遥远行星的光谱线
每颗恒星四周的大气层中都有特定的原子组合。所以，通过探测穿过恒星大气层的光，我们就能得到它奇特的谱线指纹，那是由恒星大气层中各类各样的原子产生的。我们能够操纵那些光谱线上的细小偏移来揣度出围绕那颗恒星运行的行星的存在。那些小的偏移是由多普勒效应引起的。
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我的RNA研究之路
多普勒效应
你有没有留意到，当一辆救护车鸣笛向你驶来时，警报器的调子会发作变革——它朝你开来的时候调子变得更高、更锋利，分开时调子变得更低、更温和？现实上，警报器发出的声音并没有改动。变革的是当救护车接近你时，每个声波抵达你的时间比前一个声波要短，招致了声波频次的增加。那使得警笛声在接近你时变得急促，在远离你时变得平缓（图1）。那种察看到的频次变革称为多普勒效应。
图1 多普勒效应。当一辆救护车鸣笛向你（右边的人）驶来时，警报器的声音比它远离你（右边的人）的时候更快地抵达（频次更高）。那种效应是从察看者的角度看到的频次变革。警笛声的频次现实上没有变革。
任何类型的波都遵照那一规律，包罗光。因而，当像恒星如许的发光物体向我们挪动时，它的光谱将会向短波长、高频次挪动（称为蓝移），而当它远离我们时，光谱会向长波长、低频次挪动（称为红移）。而当行星围绕着恒星运行时，行星的引力会影响恒星的运动——恒星沿着由行星轨道引起的椭圆轨道运动，所以恒星有时候向地球挪动，有时候远离地球。恒星相关于地球运动标的目的的变革会引起恒星光谱线的变革。总的来说，那意味着我们能够通过丈量恒星光谱线的多普勒频移，来间接揣度出围绕恒星运行的行星的存在（图2）。
图2 操纵多普勒效应探测系外行星。一颗看不见的系外行星围绕着一颗遥远的恒星运行，招致那颗恒星沿着椭圆轨道运动。那颗恒星有时向地球挪动（1），有时远离地球（2）。因为多普勒效应，我们看到恒星发出的光谱线频次发作了变革，当恒星向地球挪动时，频次会更高（蓝色），当远离地球时，频次会更低（红色）。那种变革能够用来揣度系外行星的存在（图源ESO）。
05
我的RNA研究之路
互相关手艺
利用多普勒效应来探测看不见的行星的存在，是一个很大的挑战。由系外行星引起的恒星速度的变革仅有几米每秒，以至更小。如许细小的变革意味着，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]。那是一个十分小的变革，仅靠一条光谱线的多普勒频移是无法切确丈量的。
那么，我们用什么法子进步那一丈量的精度呢？我们利用了另一个巧妙的技巧，称为互相关手艺。该手艺在20世纪80年代到90年代得到了优化，在我们探测太阳系外行星的工做中阐扬了重要感化。
那一手艺的关键思惟是，在对感兴趣的恒星停止丈量时，我们不是只存眷一条谱线的偏移，而是存眷多普勒效应招致的所有谱线的集体偏移。为此，我们利用了称为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），那些孔正好位于我们预期来自特定恒星的光线中呈现暗谱线的位置。所有通过那些孔的透射光都被送到一台探测器上。当恒星的暗谱线正好位于孔的前面时，我们检测到的透射光起码（图3C，左）。然而，若是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位置，成千上万条光谱线的位置将同时挪动，通过孔的透射光量将会增加（图3C，右）。在发作那种多普勒频移后，我们需要挪动平板，使孔再次与暗谱线对齐，如许探测器检测到的透射光又会变到起码。
图3 利用CORAVEL光谱仪停止互相关丈量。（A）工做人员站在位于智利拉西拉天文台的CORAVEL光谱仪前。（B）原始的CORAVEL板及其孔洞（黑色条纹），我们利用那块平板，借助互相关手艺探测从飞马座51抵达的许多（暗）谱线的多普勒频移。（C）CORAVEL千里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，抵达光探测器的光量起码（左图，“对齐”）。围绕那颗恒星运行的行星的存在引发了多普勒效应，黑线挪动之后不再与孔对齐，此时大量的光通过平板并抵达探测器（右图，“未对齐”）。检测到的光量增加反映出光谱线位置的变革，使我们可以揣度出存在一颗围绕恒星运行的行星。[图源：（A）ESO和（B）参考文献 [1]。]
因而，通过丈量恒星在其轨道上两个位置的吸收光谱线，并挪动平板使两次检测到的光量都变到最小，我们就晓得平板在第一个最小值（恒星的第一个位置）和第二个最小值（恒星的第二个位置）之间挪动了几。恰是因为系外行星的存在，招致恒星光谱线发作多普勒频移，我们才察看到了平板在两个暗谱之间的挪动。通过计算恒星谱线的多普勒频移，连系其他丈量，我们即可以领会探测到的系外行星的特征。
互相关手艺让我们可以把来自所有零丁光谱线的多普勒频移信息聚合到一个单一物理量中。那个物理量称为多普勒速度，因为它能暗示由近轨行星的存在而招致的恒星速度变革。操纵多普勒速度，连系其他的一些丈量，我们不只能够揣度出行星的存在，还能够得知它的量量、大小，以及围绕恒星运行一周所需的时间。1995年，我和同事迪迪埃·奎洛兹操纵那种办法发现了飞马座51b——那是人类发现的第一颗系外行星[3]。
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我的RNA研究之路
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（图4A）是一颗间隔地球约50光年（约47万亿公里！）的行星，位于银河系的飞马座4。它的温度很高，约有1000摄氏度。它围绕着一颗名为飞马座51的类太阳恒星运行，公转一周大约4.2天。飞马座51b次要由气体构成，被归类为像木星一样的气态巨行星。因为它的轨道十分接近恒星，它有时也被称为“热木星”。飞马座51b的量量比木星轻约47%，体积比木星大50%。飞马座51恒星比我们的太阳重约11%，体积大23%。
图4 （A）飞马座51b系外行星（小球体）和它所环绕的恒星的艺术表示图。飞马座51b是一颗气态行星，间隔地球约50光年。它是我们在太阳系外发现的第一颗围绕类太阳恒星运行的行星。（B）我的同事迪迪埃·奎洛兹（左）和我站在智利拉西拉天文台的3.6米HARPS千里镜前。自2003年以来，HARPS千里镜就搭载了我们开发的互相关手艺，用来搜刮系外行星。[图源：NASA/JPL-Caltech（A）和L. Weinstein/Ciel et Espace Photos（B）。]
正如前面提到的，飞马座51b是人类发现的第一颗围绕恒星运行的系外行星。那颗恒星和系外行星自己就很有研究价值，而且那个发现也给行星探测范畴带来了两项打破性停顿。第一，此前科学家其实不确定，在宇宙中除太阳系之外的处所能否还存在着围绕恒星运行的行星，飞马座51b的发现证明如许的行星确实存在，并且能够用互相关手艺探测到。第二，它证了然一个叫做行星迁徙的假设，即跟着时间的推移，行星能够发作位移，更靠近它们所环绕的恒星。关于天体物理学家来说，那种与它们所环绕的恒星十分接近的巨行星十分具有吸引力，因为它们能够更快地利用互相关手艺被察看到。在发现飞马座51b之前，科学家认为巨行星的轨道周期不成能短于10年，那意味着利用多普勒效应探测一颗行星需要10年的时间！但我们的发现表白，那类行星的轨道周期可能短至几天，只要预期的千分之一！那意味着一些系外行星能够在短短几天内探测到。
那两项打破都极大地促进了对更多围绕恒星运行的系外行星的探测。现在，科学家已经发现了5000多颗如许的行星！那是朝着寻找宇宙中可能的生命迈出的重要一步。
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我的RNA研究之路
宇宙中的生命
我们目前对生命的定义包罗三个次要特征：生命系统应该可以庇护本身不受情况影响，能与情况彼此感化，并将其信息传递给下一代。那种信息的传递是通过长长的原子和分子链（称为遗传物量，或DNA）实现的，而那些物量十分懦弱。DNA分子需要特定的温度和水分。那意味着，若是一颗系外行星上存在生命，它必需满足那些情况前提。如许一来，找到如许一颗行星的可能性有多大？好吧，既然宇宙中有那么多行星，我们绝对能够必定，此中许多行星都有演化出生命的可能性。但是，做为科学家，我们其实不满足于简单地说“是的，很有可能”——我们想间接证明那点。
要发现其他行星上的生命，最简单的办法似乎是向它们发射航天器，四处察看并摄影。但是，以我们目前的手艺和对物理学的理解，那是不成能的，因为航天器抵达那些十分遥远的行星要花太长时间，消耗极多的能量。因而，我们需要利用长途探测办法，通过间接的丈量和察看来判断某个星球上能否存在生命。例如，能够利用光谱来阐发系外行星大气中的化学成分。因为我们十分熟悉地球大气中的氧气（臭氧）、氮气、甲烷和二氧化碳等化学成分的谱线，我们能够测验考试在其他行星的大气中寻找类似的光谱。那种办法以及其他的研究办法，固然很有前途，但十分复杂，需要颠末改良才气阐扬感化。因而，能否以及若何探测到系外行星上的生命那一严重问题，关于像你们如许的下一代年轻科学家来说，仍然是一个了不得的挑战！
给小读者们的建议
我相信，要成为一名科学家，你需要有很强的猎奇心。科学不是一份“一般”的工做，它不单单是为了挣钱。但是，若是你对科学中的任何问题都充满猎奇，我相信成为一名科学家你会很高兴——就是那么简单。我历来没有懊悔选择成为一名科学家。对我来说，做为一名科学家的乐趣之一，是有幸与来自世界各地的人一路工做。那种在全球许多处所都有伴侣的觉得实好。
我还认为，对科学家来说，擅长团队协做十分重要。多年来，我不断指导着几个研究小组，我发现即便只要一小我与团队协做较差，整个团队城市遭到负面影响。做为团队的一员，你应该和同事相处和谐，并愿意和他们一路工做。因而，要确保与适宜的人同伴，并享受日常的互动。
名词释义：
HABITABLE PLANET 宜居行星
满足生命体保存必需前提的行星。
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（频次）跟着其泉源朝向或远离察看者而改动的物理效应。
CROSS-CORRELATION TECHNIQUE 互相关手艺
一种操纵多普勒效应对来自遥远恒星的光谱线的影响来探测太阳系外行星的办法。
SPECTROMETER 光谱仪
一种用来检测和阐发光谱的设备，我们利用它来阐发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变革。
EXOPLANET 系外行星
位于太阳系之外的行星。
翻译对照表：
Michel Mayor 米歇尔·马约尔
Cross-correlation technique 互相关手艺
La Silla Observatory 拉西拉天文台
51 Pegasi b 飞马座51b
Didier Queloz 迪迪埃·奎洛兹
planetary migration 行星迁徙
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：
感激Noa Segev的采访并参与本文的撰写。感激Sharon Amlani供给的图1、图2、图3C。
做者简介
Michel Mayor
米歇尔·马约尔（Michel Mayor）传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，那极大地激发了他对科学的兴趣。在学校里，他是孺子军中活泼的一分子，参与了徒步游览、滑雪、在高海拔山区露营以及各类户外活动。
马约尔传授曾在洛桑大学进修，1966年获得理学硕士学位，研究课题为自旋彼此感化。随后他来到日内瓦天文台（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年成为传授。他还曾在剑桥大学、位于智利的欧洲南方天文台和夏威夷大学工做。马约尔传授和同事们开发了几种切确丈量恒星速度的手艺，并通过互相关手艺改良了光谱线的多普勒频移丈量，最末实现了对系外行星的探测。1995年，他与迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）传授一路发现了飞马座51b，那是在太阳系以外发现的第一颗围绕类太阳恒星运动的行星。那一发现为他博得了2019年的诺贝尔奖。马约尔传授还曾获得阿尔伯特·爱因斯坦奖章（2004年）、邵氏天文学奖（2005年）、京都奖（2015年）和沃尔夫奖（2017年）等奖项。
马约尔传授与迪迪埃·奎洛兹传授配合获得了2019年的诺贝尔物理学奖，以表扬他们发现了一颗围绕类日恒星运行的系外行星，以及他们对理解宇宙演化和地球在宇宙中的位置做出的奉献。马约尔传授目前是日内瓦大学天文学系的名望传授，同时也是日内瓦天文台的研究员。马约尔传授与弗朗索瓦丝（Françoise）成婚，他们有三个孩子和五个孙辈。
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来源：赛先生
编纂：利有攸往
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