系外行星是如何被發現的 什麼是主序星？恆星的演化和分類

到目前爲止, 人類已經發現了大量系外行星。 它們有類似地球的岩石行星, 也有類似木星的氣態居行星, 有些有大氣, 有些可能有液態水, 還有很多與我們熟知的太陽系行星非常不同。 對系外行星的探索改變了人類對我們在宇宙中所處位置的認知。 下面我們從地球出發, 詳細介紹科學家們尋找太陽系外行星的具體方法, 以及已經尋找到的什麼。 我們是誰? 我們在哪裏? 我們的太陽系, 我們的地球是特別的嗎? 是獨一無二的嗎? 在哥本尼推翻地心說, 倡導日心說之後, 布魯諾提出太陽也不是宇宙的中心, 太陽只是很多恆星中的一顆, 宇宙是無限的, 沒有中心。 在之前的視頻裏面講過, 銀河系是宇宙億萬個星系中很頻繁的一個, 而銀河系裏面有上千億顆恆星, 太陽只是其中的滄海一粟。 幾百年來, 一些哲學家和科學家推測太陽系之外有行星存在, 另一些哲學家和科學家認爲地球上 事和生命的種種條件加在一起發生的概率是那麼小, 或許地球和太陽系真的是獨一無二的。 很久以來人類沒有辦法知道, 行星是不是普遍存在, 別的恆星的行星與太陽系的行星相似度又如何, 事和生命生存的地球又到底有多罕見。 離太陽系最近的恆星, 半人馬座的比林星屬於一個三恆星系統, 距離我們4.3光年遠, 這個距離光要花4.3年才能走過。 人類製造的最快的飛行器旅行者一號, 自1977年發射以來, 早已飛出太陽系, 它保持61,000多公里每小時的速度, 都還要飛73,600年才能完成4.3光年的距離。 璀璨的漫天繁星距離我們實在是太遠了, 就算它們有行星, 但行星不發光, 又比恆星小得多, 直接用望遠鏡觀察是很難看到的。 那怎麼辦呢? 怎樣才能通過觀測遙遠的恆星星光 去找出它們附近暗藏的行星? 這真是個天大的難題, 人們曾經用提到的方法 努力了很多年都沒有任何收穫, 到了上個世紀90年代初期, 人們甚至覺得可能永遠也不會找到太陽系外的行星了, 不要忘了那時計算機等工具還很落後。 當時有一種解釋在天文學界比較有市場, 多顆恆星通常在星雲裏乘促地誕生, 而越靠近星雲中心的恆星往往質量越大。 恆星質量越大, 引力越強, 核聚變越劇烈, 壽命越短。 大質量恆星往往幾百萬年內就幾乎耗盡, 發生超新星爆發。 超新星爆發可以把恆星的一部分質量 以十分之一光速拋出去, 併發出強大的激波, 足以撕碎和推開圍繞恆星周圍的旋轉盤內的一切, 掃蕩乾淨本來有可能形成行星的物質。 而太陽誕生時可能處於團組的邊緣, 質量又不很大, 壽命超過百億年, 周圍因太陽引力圍繞太陽旋轉的物質 有足夠長的時間和機會演化成大大小小的行星, 所以說有可能太陽系和行星系統是很罕見的。 甚至在太陽系外的行星被發現之後的好幾年, 仍然會遭到天文界的反覆質疑, 直到大量由不同觀測方法相互佐證的行星被發現, 纔得到業界認可。 而直到觀測確認太陽系附近幾乎每個恆星都有行星, 人們才徹底接受事實, 我們的太陽系並不罕見, 更不爲意。 馬育爾和奎洛茲師徒因爲在1995年 發現了太陽系外第一顆屬於主序星的行星, 而獲得2019年諾貝爾物理獎的一半。 其實在1992年, 波蘭天文學家亞歷山大·沃爾茲森 已經發現了第一顆太陽系外的行星, 不過它屬於一顆脈衝星, 脈衝星與類似太陽的主序星完全不同。 溫度越高的物體電磁波輻射的頻率越高, 波長越短。 太陽的輻射包括所有頻率的電磁波, 因爲它表面溫度接近6000攝氏度, 輻射的峯值頻率在綠光的範圍。 我們習慣的白色就是從紅到紫的可見光的混合, 是人類基於太陽輻射的中心頻率波段進化出的視覺範圍。 下面這張圖的縱座標代表 恆星光度與太陽光度的比值, 橫座標朝右代表溫度降低。 我們可以通過這張圖大致瞭解, 大小不同的主序星都嵌在圖中的主序帶中, 包括右下角又小又暗, 偏低溫的紅矮星, 中部類似太陽的恆星, 和左上角又大又亮, 偏藍的更高溫的恆星。 主序星的亮度和溫度有明顯的關聯, 溫度越高亮度越高, 顏色越藍。 而右上角的紅巨星和紅超巨星體積龐大, 亮度大,溫度卻偏低, 所以光譜偏紅。 左下角顯示的白矮星則體積非常小, 亮度也小,溫度卻較高。 從這個圖中可以看到不同質量恆星可能的生命軌跡。 一般恆星在其青壯年時期是主序星, 比如我們現在的太陽。 不同質量的恆星從星雲中誕生, 中等質量的恆星包括我們的太陽壽命很長, 在覈聚變反應中耗盡了氫原子和以後會經歷紅巨星, 再到白矮星甚至黑矮星的過程。 而大質量的主序星隨着核聚變原料的消耗, 會比較短命地離開主序星隊伍, 經過紅超巨星階段和超新星爆發, 最終坍縮成黑洞或者密度極大的中子星,脈衝星。 脈衝星是高速旋轉的中子星, 伴隨它的自轉, 我們能週期性地接收到它的電磁波脈衝。 到目前爲止, 探測太陽系外行星的方法主要有 多普勒速率法、靈日法、 靈日時間變分法、 直接影像法等等。 其中多普勒速率法和靈日法最爲有效。 另外脈衝星計時法也可以用來發現脈衝星的行星。 通過分析脈衝星的脈衝週期的變化, 可以發現影響它們運動的行星。 比如1992年沃爾茲森就已經用這個方法 發現了第一個太陽系外行星, 脈衝星行星PSR-B1257-12B, 但這個方法不能用於類似太陽的主序星。 人們想知道自己在宇宙中是否孤獨, 所以更渴望、更在乎尋找位於主序星的 宜居帶的行星。 或許這就是爲什麼沃爾茲森 沒能共享這次的諾貝爾獎。 因爲脈衝星是爆發過的, 它縮後的高密度高輻射中子星, 它們的周圍是超新星爆發清空的巨大空間。 所以脈衝星居然有行星 是非常顛覆人們的認知的。 之後沃爾茲森發現 這顆脈衝星PSR-B1257-12 有好幾個行星, 存在行星系,物理意義重大。 脈衝星的發現和脈衝雙星的發現 曾分別獲得諾貝爾物理獎。 最早發現和確認太陽系外行星的 沃爾茲森沒能, 分享關於系外行星探索的諾貝爾獎 也是一種遺憾。 下面重點介紹 本次獲獎工作使用的 多普勒鏡像速率探測法 和迄今發現系外行星數量最多的 靈日法。 中小學生都可以在家裏 用一個簡單的實驗來理解 多普勒效應產生的原理。 準備一大盆水, 在水面上連續勻速地用手指敲擊, 我們會得到均勻傳播開的水波紋。 而如果一邊連續敲擊水面, 一邊往前移動手指, 就會發現水波不再均勻對稱地朝四周擴散, 而是波源前方的波長會被壓縮, 波源後方的波長會被展寬。 換句話說, 如果觀測者站在波源前進的前方, 會遭遇更密集的波峯, 所觀測到的波峯與波峯之間的時間間隔更短, 觀測到的頻率更高。 而如果觀測者站在波源後方, 波源正在遠離, 波長被展寬, 觀測者就會遭遇更稀疏的波, 觀測到的時間間隔變長, 頻率變低。 這就是多普勒效應。 救護車或火車明着敵呼嘯而來時, 我們聽到的音調更高。 一旦救護車或者火車揚長而去時, 我們聽到的鳴敵聲音就更低沉。 波源運動的速度越快, 這種頻率變化效應也就越明顯。 通過比較靜止波源的頻率與 探測到的頻率之間的改變, 就可以計算出波源沿着觀測者的 視線方向靠近或者遠離的速度。 這樣的多普勒技術被廣泛地用來測量 各種尺度的物體的運動速度, 即使這個運動物體本身不發射任何波, 也可以通過它們反射波的多普勒頻率的 改變量來測量它們的速度。 比如在街頭遠距離無接觸測量車速, 在彩色筆鈔中測量血管內血液流速, 測量颱風中心前進的速度和方向, 這些都是利用多普勒效應。 剛纔這些解釋是利用水波或者 聲波來形象的闡述多普勒原理, 而類似的多普勒效應也會在 當波源靠近的時候觀測到的頻率變高, 當波源遠離的時候觀測到的頻率變低。 頻率變化的程度由 沿着觀測者的視線方向的速度決定。 當光源鏡像速度遠小於光速時, 這個頻率變化是極其微小和不易察覺的。 比如當光源的鏡像速度 是光速的千萬分之一時, 多普勒效應的頻率和波長 分別只改變千萬分之一。 另外,原子內部電子軌道 能極的能量差是固定的, 它們對應頻率精確固定的光譜, 也就是說比如氫原子在靜止時會吸收 和發射什麼頻率的光是固定和已知的。 比如在上圖中透過一個 簡單的光柵看拱燈, 拱原子光譜裏面不同顏色的譜線就清晰可見。 高溫的恆星發出 所有頻率的連續光譜時, 其富含的成分比如氫, 會吸收掉特定頻率的一部分光。 上圖中部的幾條黑線就代表 氫原子靜止時的吸收光譜。 當發光天體遠離我們運動的時候, 我們觀測到的那個天體的氫原子 吸收光譜的頻率會因多普勒效應而改變, 這些黑線會發生朝右的紅移。 當天體朝向我們運動時, 這些氫原子吸收光譜的黑線 會發生朝左的藍移。 通過比較發光天體的光譜 與靜止原子光譜之間的細微頻率差異, 就可以精確計算 發光天體相對觀測者的靜向運動速度。 另外值得一提的是, 天體自身運動導致的被觀測頻率的 多普勒改變與上一篇提到的 因宇宙空間膨脹而產生的哈勃紅移不一樣。 前者根據運動方向 可以有藍移或者紅移, 後者因爲宇宙空間本身的膨脹而只有紅移。 太陽系所有的行星加起來 也只相當於太陽質量的千分之1.4, 所以太陽系的行星 圍繞太陽運轉的時候, 我們似乎總覺得太陽是個不動的中心, 是不受行星運動影響的。 而事實上,行星運動可能對恆星產生 什麼樣的影響呢? 根據牛頓第三定律, 兩個物體之間的作用力和反作用力大小相等, 方向相反,而且這樣的內部力量 不會影響這個系統整體的質心運動。 因此,由於慣性, 如果沒有外力的干擾, 旋轉的系統會圍繞系統的質心一直旋轉, 而質心不動。 當兩個球相隔一定的距離, 如果這兩個球質量相等, 它們的質心在兩個球心連線的終點。 如果其中一個球比另外一個球重, 質心就像中的那個球偏移。 兩個球都圍繞這個共同的質心旋轉, 週期相同, 天體裏的雙心繫統通常會這樣運動。 而當其中一個質量比另一個大得多的時候, 系統的質心會進入到大球內部, 大球圍繞質心的運動幅度和速度 會比小球的小很多。 極端情況下,當其中一個球的質量 相對另一個來說是九牛一毛, 維護其微的時候, 整個系統的質心緊挨着大球的中心。 兩個球圍繞系統質心運動時, 看起來是小球在圍繞大球中心轉, 大球好像沒動。 我們熟知的太陽與它的行星看起來就像這樣。 事實上,不僅僅是大球 對小球的吸引力拉着小球在轉圈, 小球對大球有同樣大的吸引力, 也會拉着大球轉圈, 只是大球旋轉的幅度和速度要小很多。 僅僅通過牛頓第三定律 或者說動量守恆定律, 就可以推導出,因爲太陽質量 是木星質量的1047倍, 木星導致的太陽旋轉的速度 是木星公轉軌道速度的1047分之一, 也就是大約每秒13米。 而地球公轉對太陽產生的速度影響 只有9釐米每秒。 鏡像速度是物體運動速度 在觀察者視線方向的分量。 如果恆星在行星的影響下轉圈, 鏡像速度會在行星公轉的四分之一個週期內 從零變到最大值, 類似圓周運動在某個方向的投影。 速度是時間的正弦函數, 導致該恆星被觀測到的光譜 產生週期性的多普勒紅移和藍移。 也就是說, 如果發現有恆星的光譜存在週期性的頻率 變高又變低的多普勒移動, 就意味着它們時而朝向我們, 時而遠離我們運動。 如果排除有緊鄰的恆星或矮赫星構成雙星系統, 那這就可能是一個行星的影響。 試想一下, 如果外星系的人想通過觀測太陽來找太陽系的行星, 他們可以觀測太陽光譜頻率隨時間的變化 來判斷太陽有沒有因爲行星而小幅轉動, 以及計算鏡像速度。 但這真是太不容易。 即使他們的視線正好平行木星公轉的平面, 最多也只能探測到太陽 13米每秒的鏡像速度產生的多普勒效應。 這麼微小的變化還是在漫長的木星年 才能完成一個週期, 也就是11.9個地球年。 外星人用這樣的方法來找地球就更難上加難了。 在1995年以前人們在這一方面的努力 一直沒有收穫, 希望看起來很渺茫, 到底能不能通過多普勒效應探測到 恆星行星系統中恆星微弱的相對運動。 馬育爾和奎洛茲構建了一種新型光譜儀 同時測量142顆恆星的光譜, 終於在1995年發現 飛馬座的一顆編號爲51的恆星的光譜頻率 週期性變化。 通過分析恆星光譜頻率隨時間的變化, 人們可以計算出它的鏡像速度隨時間的變化, 擬合相應的正弦時間函數, 從而計算它圍繞質心旋轉的週期, 模擬描述它的軌道, 並推算出影響它如此運動的天體的質量範圍 和距離範圍等信息。 很快人們證實,這不是一個雙星系統, 而是一個質量至少是地球150倍的 類似木星的行星, 這顆行星一隨它的母星被命名爲 飛馬座51B。 令人驚訝的是,這顆巨大的行星離母星 飛馬座51,恆星特別近, 相當於地球到太陽距離的5%, 根據中學物理課提到的開普勒定律, 行星軌道半徑越小,公轉角速度越快, 週期越短, 它公轉一圈只需要4個地球日。 這一發現也改變了人們對行星形成和 分佈規律的認識,原來在離恆星這麼近的地方 可以有類似木星的巨行星, 不像在太陽系內,四顆岩石行星, 水星、金星、地球和火星都比較小, 且離太陽比較近, 而氣態巨行星如木星、 土星都離太陽很遠,溫度足夠低, 它們的行星核的引力纔可以像滾雪球一樣 俘獲周圍的青河海, 形成巨行星。 而且因爲距離太近, 飛馬座51B面對母星那一面的溫度 可以高達上千度, 此後人們還發現了很多類似的 靠近恆星的巨大熱木星, 並看到它們往往一直在蒸發。 飛馬座51B的發現是天文學的一座里程碑, 此後大量的天文望遠鏡 被投入到運用多普勒鏡像速度法 尋找太陽系外行星的工作中。 2003年開始投入 使用的高精度鏡像速度行星搜索器 甚至能夠分辨恆星一米每秒的速度 所引起的多普勒頻率改變。 多普勒鏡像速度法適合各種各樣的恆星, 不限於主序星。 這種方法顯然對發現公轉速度比較快, 週期比較短, 而且質量比較大的行星最有效。 如果恆星有多個行星, 其中質量偏小,距離偏遠的那些, 對恆星運動的影響十分微弱, 比較難用這個方法分辨。 另外,即使地球的視線方向 並不與行星公轉的平面平行, 這個方法仍然有效。 只不過,多普勒效應只能探測光源 在鏡像的速度, 當恆星和行星軌道平面 與地球視線夾角太大, 恆星鏡像速度會比實際運動速度小很多, 以此估算的行星質量就會遠小於實際質量。 令人讚歎的是, 靈日法系外行星探測 真就是靠探測這一點點被行星擋住的星光。 太陽系外的行星因爲太遠太小, 極難直接被望遠鏡觀測到, 但我們可以一直監測太陽系外恆星的亮度。 如果有行星圍繞 那個恆星週期性轉動, 就可能會週期性地擋在我們和那顆恆星之間, 從而略微減弱我們觀測到的那個恆星的亮度。 我們觀測到的恆星亮度 會隨時間的變化分爲幾個階段, 恆星亮度不受影響的時間段, 恆星亮度從開始變暗到最暗的過程, 以及維持最暗的時間段, 還有從開始恢復到恢復最亮的時間段, 在經歷保持最亮的時間段。 通過仔細地計算和比較不同時間段的時長, 可以計算出這個行星公轉一週的週期、 大致尺寸與恆星的大致距離等等。 這個方法當然也極不容易, 比如說地球的尺寸僅僅能擋住十萬分之八的太陽光, 通過不懈地努力, 科學家們在過去二十年裏用這種方法 找到了幾千顆系外行星, 其中在2009年專爲搜尋太陽系外行星 發射的開普勒天文望遠鏡功不可沒。 靈日法還有可能通過 微弱的光譜變化探測行星是否有大氣層, 以及大氣層有什麼化學成分。 若將多普勒鏡像速度法和靈日法 配合使用,互相驗證 比如多普勒鏡像速度法可以用來估算行星質量, 而靈日法能提供尺寸, 於是我們能估算行星的密度, 判斷它們的種類。 靈日法的侷限在於 如果行星公轉的平面與地球的視線的夾角大一點, 行星就不能遮擋住星光。 而靈日時間變分法改進了靈日法, 以研究多個行星同時靈日的情況, 幫助我們確認了不少擁有不止一個行星的行星系, 其中步伐與太陽系行星偏心率 很不相同的例子。 當人們發現人類現有的技術可以探測 和證實太陽系外行星的存在時, 系外行星的搜尋工作便成爲 最近二十年天文學最熱門的領域。 人們更感興趣的是,距離恆星不那麼近, 溫度不那麼高, 能有液態水存在的宜居帶的行星。 1992年, 第一顆太陽系外行星被發現。 1995年, 第一顆屬於主續星的系外行星被發現。 1996年, 加州州立大學舊金山分校物理與天文系教授傑弗瑞 馬希帶領學生髮現了第一顆圍繞主續星運轉的 長週期行星, 大雄座47B, 它的公轉週期是1090多個地球日。 1999年, 馬希等人發現第一顆類似太陽系的行星系, 仙女座天打將軍六具有多個行星。 1999年, 人們首次用《靈日法》發現了一顆系外行星HD 209458B。 2007年, 馬育爾參與發現了第一顆被認爲是有可能 適合生命存活的行星, 格里澤581C, 它距離地球約20.5光年, 離它的母星很近, 公轉一週只要13天, 但由於母星是紅矮星, 該行星的地表平均溫度約在攝氏0至40度之間, 可能存在液態水, 它的質量至少是地球的5.5倍, 一度被稱爲超級地球。 此後爲了嚴謹起見, 天文學界輕易不提類地行星的說法, 儘量只說類地尺寸行星或者宜居代行星, 因爲地球除了溫度事宜, 還有很多其他利於生命生存的特別之處, 宜居代行星不一定具有類似的特點。 2009年, 馬約爾還參與發現了目前主須星行星中最小的一個, 格里澤5811, 它的質量約是地球的1.9倍, 但與母星距離只有地日距離的3%, 所以太熱。 此後更多廣義的宜居代行星被發現, 包括Trappist-1D,Kepler-186f, 還有離我們最近的鄰居比林星的行星 它的平均溫度大約是零下40度。 在開普勒天文望遠鏡退役之後, 2018年4月發射的 靈日系外行星巡天衛星已經開始搜尋 地球附近300光年內的恆星的行星, 大部分已發現的系外行星尺寸都比較大, 公轉週期都比較短, 還沒有跟地球的質量, 尺寸和公轉週期類似的行星被發現。 因爲地球這麼小, 地球能夠遮擋的太陽光只有十萬分之八, 而且地球距離太陽這麼遠, 地球引力影響太陽運動的 鏡像速度只有9釐米每秒, 目前的探測精度還不足以 分辨地球這樣的行星, 但是藉助日新月異的計算機數據處理能力 和精密光譜學的發展等, 用波普勒鏡像速度法 分辨0.1米每秒的恆星速度, 會在不遠的將來成爲可能, 使得類似地球尺寸和週期的行星也可能被發現。 1992年脈衝星行星PSR B1257加12B的發現和 1995年飛馬座51B的發現 都是天文學上的重要里程碑, 開啓了成功搜尋系外行星的時代, 也使科學家認識到行星可以與 我們熟知的太陽系行星非常不同。 經過衆多科學家20多年的努力, 不斷改進測量和計算的進步, 依靠大浪淘沙般的數據搜索, 它們既有類地岩石行星, 也有類似木星的巨行星, 有些有大氣,有些可能有液態水。 這些行星不管是尺寸、位置 還是軌道偏心率等, 與我們熟知的太陽系行星有相似的, 也有很不同的。 這迫使天文學家擴展行星分類, 重新審視行星形成的條件和過程。 銀河系保守估計有幾千億顆行星, 銀河系只是茫茫宇宙的滄海一粟。 系外行星的廣泛程度深刻地改變了 人類對我們在宇宙中所處的位置的認知, 以及人類對我們的星球是否特別地判斷。 特別是連脈衝星都有行星和行星系的存在, 向人們揭示行星的形成 或許遠沒有以前猜測的那麼困難和罕見。 人們對太陽系外生物存在的幾率的判斷 也發生了本質的變化。 總之, 今年兩個看似相隔遙遠的獲獎領域 還是有共同點的。 第一部分,皮布爾斯關於早期宇宙演化的 工作科學嚴謹地揭示了我們從哪裏來。 而第二部分對太陽系外行星的探索 進一步明確了我們到底在哪裏。 它們改變了我們人類對宇宙的認識, 對地球在宇宙中地位的認識, 對整個人類和整個人類世界觀的影響 都是深遠的。 無聲也有牙,而知也無牙。 還是感謝那些有智慧又勤奮的靈魂 讓生命短暫的。 我們也可以瞭解那麼遙遠的空間和那麼遙遠的過去, 並預測遙遠的未來。 仰望浩瀚的宇宙, 越發能體會人類的渺小, 並震撼於科學的偉大。 宇宙的故事從一顆主續星的誕生開始, 也在一顆行星的擺動與光芒的微弱變化中 被我們逐漸讀懂。 今天,我們只是簡單走過了恆星的生命, 瞭解了系外行星是如何被發現的, 但希望這些內容能讓你感受到, 物理學並不是冰冷的公式, 而是一門用來描述宇宙之美的語言。 大到星系的演化, 小到原子核的結構, 萬事萬物都有其規律。 當我們看懂這些規律, 宇宙不再遙遠,科學也不再神祕。 願這個視頻能幫助沒有專業背景的你, 也能觸碰到一點點物理學的深度與廣度, 理解物理,愛上物理, 並在這門偉大的科學中看到屬於你的那份美。 感謝觀看, 我們下期再見。