摘要
我们可以问自己的一个最有趣、最令人兴奋、最吸引人的问题是:宇宙中的其他地方是否存在生命?这个问题激发了几代科幻小说作家、科学家的想象力，也激发了市民的好奇心。在这篇文章中，我将告诉你太阳系外第一颗围绕类太阳恒星运行的行星(系外行星)的发现，我因此获得了2019年的诺贝尔物理学奖。我也会告诉你们自从我的发现以来所取得的进展，以及目前我们在探索宇宙其他地方的生命时所面临的挑战。我们离回答这个长期存在的问题还有多远?让我们一探究竟。
马约尔教授与迪迪埃·奎洛兹教授共同获得了2019年诺贝尔物理学奖，以表彰他们发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星，并为我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置做出了贡献。
你能想象在宇宙的某个地方生活着其他生命形式的可能性吗?起初，这种想法似乎有点牵强或难以理解。但是，作为一名天体物理学家，我可以告诉你，这实际上很有可能。为什么?因为有所以宇宙中有许多行星——数量之多难以想象——其中一些可能是支持生命形成的良好候选者。在我们深入研究宇宙中存在其他生命的可能性之前，我们先来看看我们是如何发现太阳系外的行星的。
如何发现遥远的行星
当我们搜索宜居行星就像我们所知道的那样，可能存在生命，我们寻找与地球相似的行星。其中一个必要的条件是，这些行星应该围绕一颗辐射热和光的恒星运行。然后恒星就会提供适宜的温度和生命发展所需的能量生产条件，就像地球从太阳接收到的那样。但是明亮的恒星(如太阳)靠近昏暗的行星(如地球)并不能让科学家直接探测到这颗行星，因为行星反射的光被明亮恒星的光所掩盖。例如，太阳比任何环绕它的行星反射的光都要亮10亿倍。因此，我们需要发展间接探测行星存在的方法。其中一种方法是探测这颗行星对附近恒星速度的影响。要理解这种方法，我们必须熟悉两个概念——谱线和多普勒效应。
谱线
正如你可能知道的，每个原子都有能级，对应于电子在原子核周围的运动。当光穿过一个原子时，光的一些波长(对应于原子的能级)会被原子吸收。这意味着，如果我们能在发射的光与原子相互作用后检测到它，我们就能从我们观察到的特定波长中获得该原子的特定“指纹”。探测到的光谱以前是连续的，现在由特定波长的减弱(暗)或增强(亮)光线组成。这些线条叫做谱线1．
来自遥远恒星的光谱线
每颗恒星在其周围的大气中都有特定的原子组合。所以，当我们在恒星的光穿过恒星的大气层后探测它时，我们得到了它独特的光谱线指纹，这是由恒星大气层中所有不同的原子产生的。我们可以利用这些光谱线的微小变化来推断是否存在围绕这颗恒星运行的行星。这些微小的变化是由于一种叫做多普勒效应的现象。
多普勒效应
你是否注意到，当一辆开着警报器的救护车向你驶来时，警报器的音调会发生变化——当它靠近你时，音调会变得更高、更刺耳;当它经过你时，音调会下降，然后变得更低?实际上，警报器发出的声音并没有改变。真正发生变化的是，当救护车接近你时，每一波声波到达你的时间都比前一波更短，这导致了声波频率的增加。这使得警笛接近你时声音更快，远离你时声音更慢2（图1)．这种观测频率的变化被称为多普勒效应．
- 图1 -多普勒效应。
- 当一辆带着警笛的救护车向你驶来时(右边的人)，警笛的声音比远离你时(左边的人，低频)更快地到达你那里(频率更高)。这种效应是由于频率的变化从观察者的角度来看．在现实中，警笛的频率并没有改变。
这同样适用于任何类型的波，包括光。所以，当像恒星这样发光的物体向我们移动时，它的谱线图像会向波长更短、频率更高的方向移动(称为蓝移)，而当它远离我们时，光谱会向波长更长、频率更低的方向移动(称为红移)。现在，当一颗行星围绕一颗恒星运行时，由于行星的引力，它会影响恒星的运动——恒星沿着由行星轨道引起的椭圆路径运动，所以在某个时间点，恒星会运动向地球和其他时间它会移动走了从地球。恒星相对于地球速度的变化会导致恒星光谱线的变化3.．总的来说，这意味着我们可以通过测量恒星光谱线的多普勒频移(图2)．
- 图2 -利用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，导致恒星沿着椭圆轨道运动。恒星有时会向地球移动(1)，有时会远离地球(2)。由于多普勒效应，我们看到恒星发射的谱线频率发生了变化，当恒星向地球移动时，谱线频率会更高(蓝色)，当恒星远离地球时，谱线频率会更低(红色)。这种变化可以用来推断系外行星的存在(图从ESO)．
互相关技术
在使用多普勒效应来探测一颗看不见的行星的存在方面，有一个很大的挑战。由于系外行星造成的恒星速度的变化范围只有每秒几米，甚至更小。就恒星光谱线的多普勒频移而言，这颗恒星速度的微小偏移意味着其发射波长的偏移小于十亿分之一(十亿分之一)[1］．这是如此小的一部分，以至于当由于多普勒效应而仅使用单一谱线的变化时，不可能精确测量。
那么，我们做了什么来提高测量的精度呢?我们用了另一个聪明的技巧，叫做互相关技术它在20世纪80年代和90年代进行了优化，在让我们探测太阳系外的行星方面发挥了重要作用。
这里的关键思想是，我们不是只测量从感兴趣的恒星发射的一条光谱线的位移，而是测量集体多普勒效应导致的位移所有恒星发出的光谱线。我们用一种叫做CORAVEL的设备做到了这一点谱仪（图3一) [1，2］．CORAVEL光谱仪包含一个带有一组孔的板(图3 b)，正好位于我们所预期的某颗恒星发出的光中会出现暗光谱线的位置。所有通过这些孔发射的透射光都被发送到一个探测器上。当恒星的暗光谱线恰好在板上的孔的前面时，我们探测到透射光的最小值(图3 c(左)。然而，如果我们有多普勒频移，由于系外行星影响了恒星的运动，那么成千上万条谱线的位置将相对于板上小孔的位置同时发生移位，通过小孔传输的光量将增加(图3 c,对吧)。在多普勒频移之后，我们需要移动平板，使孔再次与黑色光谱线对齐，这样我们就可以再次在探测器中获得最小光。
- 图3 - CORAVEL光谱仪的互相关测量。
- (一)工作人员站在CORAVEL光谱仪前，该光谱仪位于智利拉西拉天文台。(B)原始的带有孔(黑色条纹)的CORAVEL板，我们用它来检测来自51 Pegasi的许多(暗)谱线的多普勒频移，使用互相关方法。(C)来自恒星的光被CORAVEL望远镜集中，并投射到一个有孔的板上。当黑线与板上的孔对齐时，则到达光探测器的最小光量(左，“对齐”)。当黑线由于多普勒效应而移位时，由于一颗行星围绕着这颗恒星运行，它们不再与洞对齐，大量的光通过板并到达探测器(右，“未对齐”)。光谱线位置的这种变化，使我们能够推断出围绕恒星运行的行星的存在。(一)ESO而且(B)文献[1])。
因此，当我们在轨道上的两个位置测量恒星的吸收光谱线，并移动平板，使每次都能检测到最小光时，我们就知道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)之间移动了多少。由于系外行星的存在，板块位置在两个极小值之间的移动是恒星光谱线多普勒漂移的直接结果。通过计算恒星光谱线的多普勒频移，结合其他测量，我们可以了解到探测到的系外行星的特征。
互相关技术使我们能够将来自所有单独谱线的多普勒信息集中到一个单一的数量。我们称这个量为多普勒速度，因为它告诉我们由于附近轨道行星的存在，恒星速度的变化。使用多普勒速度，结合一些其他测量，我们不仅可以推断出行星的存在，还可以了解它的质量、大小，以及行星绕恒星完成一圈所需的时间。这种方法使我们能够探测到51飞马座b -第一个太阳系外行星我的同事迪迪埃·奎洛兹和我在1995年发现[3.］．用最近的摄谱仪，恒星的光谱是用一种有点不同的方式获得的。频谱不是在物理板上扫描，而是记录在一种叫做CCD探测器的特殊传感器上(就像我们在数码相机上使用的那样)。然后，根据我们上面看到的相同的互相关原理，用计算机对其进行分析。
51飞马座b:第一颗测量到的绕类太阳恒星运行的系外行星的发现
飞马座51号b (图4一)是一颗距离地球约50光年(约470亿亿公里!)的行星，位于银河系的飞马座4．它的温度很高，约为1000摄氏度。它围绕着一颗类似太阳的恒星运行，称为飞马座51号，每4.2天完成一次公转。飞马座b主要由气体组成，和木星一样被归为气体巨星。因为它的轨道离恒星很近，所以有时被称为“热木星”。飞马座51 b的质量比木星轻47%，体积比木星大50%。飞马座51恒星比我们的太阳重11%，大23%。
- 图4 -(一)51飞马座b系外行星(小球体)和它环绕的恒星，51飞马座恒星的艺术表现。
- 飞马51 b是一颗距离地球约50光年的气体行星。这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3.6米的HARPS望远镜前。自2003年以来，实现了我们开发的互相关技术的HARPS光谱仪被用于搜索系外行星[图片来源:NASA/JPL-Caltech(一)L. Weinstein/Ciel et Espace Photos(B))．
如上所述，飞马座51 b是第一颗被发现的围绕恒星运行的系外行星。虽然这颗恒星和系外行星本身就很值得研究，但它们的发现也在行星探测领域取得了突破，主要体现在两个方面。首先，飞马座51 b的发现证明，在太阳系之外的宇宙其他地方也存在围绕恒星运行的行星——这在以前是不确定的——这些行星可以用互相关技术探测到。其次，它证明了一个被称为行星迁移的假设，该假设认为，随着时间的推移，行星可以迁移或移动，更接近它们围绕的恒星5．对于天体物理学家来说，离它们所环绕的恒星非常近的巨大行星非常有吸引力，因为使用互相关技术，这样的行星可以在更短的时间内被发现。在发现51飞马座b之前，科学家们认为一颗巨星的轨道周期不可能短于10年，这意味着用多普勒效应探测一颗行星需要10年的时间!但我们的发现表明，轨道周期可能短至几天——比预期的短1000倍!这意味着一些系外行星可以在几天内被探测到。
这两项突破都对探测更多围绕恒星运行的系外行星做出了重大贡献。今天，已经发现了5000多颗这样的行星!这是在宇宙中寻找可能生命的重要一步。
宇宙中的生命
我们目前对生命的定义包括三个主要特征:一个生命系统应该能够保护自己不受环境的影响，与环境相互作用，并将其信息传递给下一代。这种信息传递是通过非常脆弱的长链原子和分子(称为遗传物质或DNA)来完成的。DNA分子需要特定的温度和水的存在。这意味着，如果存在一颗有生命的系外行星，它必须满足这些条件6．那么，找到这样一颗行星的可能性有多大呢?好吧，既然宇宙中有这么多行星，我们绝对肯定其中许多都有生命发展的可能性。但是，作为科学家，我们不满足于简单地说“是的，有可能”——我们想直接证明它。
在其他行星上发现生命的最简单方法似乎是向它们发射宇宙飞船，四处观察并拍照。但以我们目前的技术和对物理学的理解，这是不可能的，因为宇宙飞船要到达这些遥远的行星需要太长时间，而且还需要不合理的能量7．这意味着我们需要使用远程探测方法，这是间接的测量和观测，可以暗示某个星球上可能存在生命。例如，我们可以利用光谱线分析系外行星大气中的化学成分。由于我们非常熟悉地球大气中化学成分的谱线，如氧气(臭氧)、氮、甲烷和二氧化碳，我们可以尝试在其他行星的大气中找到类似的模式8．这个方向和其他方向的研究，虽然很有前途，但非常复杂，需要进一步发展才能真正有用。因此，我们能否以及如何探测系外行星上的生命，这一重大问题对于像你一样的下一代年轻科学家来说仍然是一个巨大的挑战!
给年轻人的建议
要成为一名科学家，我相信你需要有很多的好奇心。科学不是一份“正常”的工作，它不仅仅是为了赚钱。但是，如果你对科学中的任何话题都感到好奇，我相信你会成为一名快乐的科学家——就是这么简单。我从未后悔选择当科学家。对我来说，成为一名科学家的乐趣之一就是你有特权与来自世界各地的人一起工作。很高兴你在世界各地都有朋友。
我还认为，对于科学家来说，能够在团队中很好地工作是非常重要的。我领导了几个研究小组多年，我注意到，即使只有一个人与团队相处不好，整个团队也会受到负面影响。作为团队的一员，你应该和同事相处融洽，喜欢和他们一起工作。所以，一定要和对的人配对，享受你每天的互动。
额外的材料
术语表
宜居行星：↑一颗具备维持生命所需条件的行星。
谱线：↑一束特定波长的光，由原子吸收或由原子发射。
多普勒效应：↑一种物理效应，当波源靠近或远离观察者时，测量到的波的波长(频率)发生变化。
互相关技术：↑一种利用多普勒效应对来自遥远恒星的光谱线探测太阳系外行星的方法。
谱仪：↑一种用来探测和分析光谱的设备，在我们的例子中是来自恒星和行星的光。
多普勒速度：↑恒星速度的变化:由于有近轨道行星的存在而引起的恒星速度的变化
太阳系外行星：↑位于太阳系外的行星。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。
致谢
我要感谢诺亚戈夫作为本文的基础进行的访谈，以及共同撰写论文。感谢Sharon Amlani的提供图1，2，3 c．
脚注
6.↑如果一颗行星做满足了这些要求，并不一定意味着就有了生命，只是有了潜在的为生活。我们也可以想象完全不同的生命形式，它们可以在不同于我们已知的条件下发展，但我们从基于当前科学的最简单的选择开始。
7.↑这也意味着，即使我们在太阳系外找到了一颗宜居行星，以我们目前对物理学的理解，它也不适合人类移民。因此，我们应该努力保护地球，使它适合人类世世代代居住。
参考文献
[1]↑市长，2020年。诺贝尔演讲:宇宙中的多元世界:古代的梦想，天体物理学的现代现实。Rev. Mod. Phys。92:030502。网上订购地址:https://雷竞技电竞体育竞猜平台journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.92.030502
[２]↑Baranne, A.，市长，M.和Poncet J. L. 1979。一种新型径向速度测量工具。考察。阿斯特朗。23:279 - 316。0083 - 6656 . doi: 10.1016 / (79) 90016 - 3
[3]↑市长，M.和奎洛兹，D. 1995。一颗类太阳恒星的木星质量伴星自然378:355-9。
[4]↑施维特曼，E. W.，江，N. Y.，帕伦托，M. N.，哈曼，C. E.，达斯萨尔马，S.，费舍尔，T. M.等。2018。系外行星生物特征:远程可探测生命迹象的回顾。天体生物学．18:663 - 708。doi: 10.1089 / ast.2017.1729