寻找系外星系的天文学家那么多，为什么这对瑞士师徒能获诺奖？

北京科技报 | 王爽

2019-10-08

麦耶和奎罗兹师徒二人因发现太阳系外行星获物理诺奖。证明系外星系存在有多难？寻找系外星系的天文学家那么多，为何他们能获奖？

2019年诺贝尔物理学奖授予普林斯顿大学教授James Peebles，以表彰他“在物理宇宙学的理论发现”，以及日内瓦大学的Michel Mayor教授和Didier Queloz教授，以表彰他们“发现了一颗围绕太阳型恒星运行的外行星”。

中山大学物理与天文学院副教授，博士生导师王爽多年致力于宇宙学方面的研究，一年前，他曾发文预言Michel Mayor和Didier Queloz这对师徒早晚有一天会戴上诺奖的皇冠。

（科学加获授权转载）

文/王爽（中山大学物理与天文学院副教授，博士生导师）

到2019年，Michel Mayor和Didier Queloz 这两位诺贝尔奖得主的发现开启了天文学的一场革命，自那以来，银河系已经发现了4000多颗系外行星。奇异的新世界仍在不断被发现，其大小、形状和轨道之丰富令人难以置信。

在天文学史上，这是一个具有重大历史意义的景点：与太阳相距50光年的飞马座51b是人类发现的第一颗绕主序星旋转的系外行星，而它的发现也宣告了系外行星探索时代的到来。

其实很早就有人怀疑，在茫茫宇宙中还有许多其他的行星。比如说，早在16世纪，被罗马教廷烧死的意大利哲学家乔丹诺·布鲁诺就猜想，漫天繁星其实就是远处的太阳，也有很多行星在绕它们旋转。此外，大名鼎鼎的牛顿爵士也在他的传世巨著《自然哲学的数学原理》中表达了相同的观点。

然而，寻找系外行星是一件极端困难的事情。原因很简单。行星本身不会发光，只能够反射恒星的光芒；这意味着，行星的绝对亮度其实非常非常微弱。另一方面，即使是最近的那些恒星，它们与地球之间的距离也要以光年计。相距如此遥远的情况下，系外行星肯定会被笼罩在它所环绕的恒星的光芒中；换句话说，系外行星根本无法被地球上的望远镜所看到。

几百年来，人们一直无法找到支持系外行星存在的有力证据。从19世纪开始，不断有人跑出来宣称他们发现了太阳系以外的行星。但事实证明，他们几乎全是自己看花了眼。

一直到20世纪90年代，才有人横空出世，用相当有力的证据证明了系外行星的存在。完成这一壮举的人，是一对来自瑞士的师徒。

其中的老师是米歇尔·麦耶。1971年，麦耶在瑞士的日内瓦大学拿到博士学位。在剑桥大学、欧洲南方台和夏威夷大学工作了几年以后，他又回到了日内瓦大学任教，并在那里一直干到退休。

其中的学生是迪迪埃·奎罗兹。20世纪90年代初，奎罗兹考进了日内瓦大学天文系，然后成了麦耶的博士研究生。博士毕业后，他在剑桥大学卡文迪许实验室找到了永久职位。

可能有读者会问了：“这对师徒到底是用什么办法，才捅破这层天文学界花了400多年也没能捅破的窗户纸呢？”答案是我们在游览比邻星b的时候就已经讲过的径向速度法。下面，我就带大家回顾一下这种方法。

如果一颗恒星的周围真的存在一颗行星，此恒星和此行星就会构成一个彼此绕转的两体系统。你不妨把一颗恒星想象成一个在舞会上落单的人，只能孤零零地站着不动。如果它有了一颗行星，那就是有了一个舞伴，就可以与舞伴一起跳旋转舞了。当然，由于恒星质量远远大于行星质量，恒星旋转的幅度远比行星要小。

由于在彼此旋转，当行星离地球远去时，恒星就会略微地靠近地球；此时，恒星发出的光就会发生轻微的蓝移。反之，当行星向地球飞来时，恒星就会略微地远离地球；此时，恒星发出的光就会发生轻微的红移。这样一来，如果一颗恒星的周围真的存在一颗行星，这颗恒星的光谱就会出现周期性的蓝移和红移交替的现象。换言之，如果发现一颗恒星的光谱出现了周期性的蓝移和红移交替的现象，就可以断定这颗恒星拥有一颗行星。这种探测系外行星的方法就是径向速度法。

1995年底，麦耶和奎罗兹在《自然》杂志上发表了一篇论文，宣布他们用位于法国普罗旺斯天文台的一台新型光谱仪，测出一颗与太阳相距50光年、名叫飞马座51的恒星的光谱中，存在一个周期为4.2天的蓝移红移交替的现象。由此可以推断出，在离飞马座51仅仅800万千米的地方，有一个和木星差不多大小、公转周期为4.2天的行星。麦耶和奎罗兹把这颗行星称为飞马座51b。它是人类历史上发现的第一颗绕主序星旋转的系外行星。

这个划时代的重大发现，为人类打开了一扇通往新世界的大门。在此后的20多年的时间里，追随着麦耶和奎罗兹的足迹，天文学家们发现了将近4000颗系外行星。著名的《纽约时报》甚至把麦耶和奎罗兹发现系外行星这件事与哥伦布发现美洲大陆相提并论，并称这对师徒为“新世界的发现者”。

这个诺奖级的重大发现，给麦耶带来了数不清的荣誉。不过，奎罗兹就没这么幸运了。长达20年的时间里，他一直被排除在天文学界的各大奖项之外。为什么奎罗兹会如此倒霉呢？因为有一个“程咬金”从半路杀了出来。此人就是美国天文学家杰弗里·马西。

马西本来是一个文科生。他本科就读于加州大学洛杉矶分校，主修文学学士学位。在此期间，他又选修了一个天文学的双学士学位，而这个决定彻底改变了他的人生轨迹。本科毕业后，马西选择了转行，前往加州大学圣克鲁斯分校攻读天文学博士学位。获得博士学位以后，他在卡内基研究院和威尔逊山天文台做了几年博士后，然后在旧金山州立大学找到了终身教职。

20世纪90年代初，马西也开始搜寻系外行星。他没有斗过麦耶、奎罗兹师徒，后者在1995年率先发现飞马座51b。虽然输在了起跑线上，但是马西成功地后来居上。事实上，在人类发现的前100颗系外行星中，有70多颗是马西的研究团队发现的。

为什么马西能在寻找系外行星的竞赛中一骑绝尘呢？因为他率先使用了另外一种探测系外行星的方法，也就是所谓的凌星法。

凌星法的原理非常简单。我们在游览太阳系的时候已经讲过，整个太阳系内的天体基本都处在同一个平面上。同样的道理，整个银河系内的天体也基本都处在同一个平面上。这意味着，如果一颗远方的恒星拥有一颗行星，那么此行星围绕此恒星旋转的平面，就不太可能与我们看这颗恒星的视线方向垂直。这样一来，当这颗行星运动到地球与恒星之间的时候，就会挡住恒星发出的部分光芒，从而使此恒星的视星等在一段时间内出现微小的下降；而当行星运动到其他地方的时候，恒星的视星等又会恢复正常。

由于行星总在以一个固定的周期绕恒星旋转，它在地球和恒星之间穿行的时间将具有周期性，从而使恒星视星等也出现周期性的下降。换句话说，如果我们观测到某颗恒星的视星等总是周期性的下降（随后又恢复正常），就可以断定这颗恒星一定拥有自己的行星。这种探测系外行星的方法就是凌星法。时至今日，凌星法已经超过了径向速度法，成了发现系外行星的头号利器。

凭借着搜寻系外行星效率上的压倒性优势，马西挤掉了奎罗兹，成了与麦耶并驾齐驱的系外行星探索领域的标志性人物。1999年底，马西跳槽到了加州大学伯克利分校（美国排名第一的公立名校）；又过了3年，他就当选为美国科学院院士。此后，他和麦耶拿遍了天文学界的所有大奖，包括2005年的邵逸夫天文学奖。

由于在系外行星探索领域的杰出贡献，马西也一度成为了诺贝尔物理学奖的大热人选。可能有一些读者已经注意到这种说法的诡异之处了：为什么要说是“一度”呢？因为现在的马西，已经从神坛坠入了深渊。

2015年，先后有4位女士向加州大学伯克利分校投诉，说马西曾对她们进行性骚扰。随后，校方对马西展开了一个为期6个月的调查，并于2015年10月公布调查报告。这份调查报告指出，从1995年开始，在长达20年的时间里，马西至少对7位女士进行过性骚扰。此调查报告一经公布，立刻在学术界掀起了轩然大波。加州大学伯克利分校的一大批教职员工随即发表联名信，要求马西立刻从学校滚蛋。

迫于压力，马西于2015年10月7日在网上贴出了一封公开信，宣布对自己的所作所为道歉，并且辞去加州大学伯克利分校的讲席教授职位。此后，马西在学术界销声匿迹。这个系外行星探索领域的先驱，就这样成了后来另一场影响深远的著名社会运动的“先烈”。

马西坠入深渊，为奎罗兹扫除了前进道路上最大的障碍。2017年，他取代了马西，与自己的前导师麦耶一起获得了著名的沃尔夫物理学奖。我在此预言，早晚有一天，这对师徒会戴上诺奖的皇冠。

关于系外行星更详细的内容，可以关注作者今年10月即将出版的新书《宇宙奥德赛：穿越银河系》