物理群星
米歇尔·马约尔 肖像

图:L. Weinstein / Ciel et Espace Photos,2012 年摄于欧南台 3.6 米望远镜前 / Wikimedia Commons / CC BY 4.0

米歇尔·马约尔

Michel Mayor

1942–今 · 生于瑞士洛桑 · 瑞士

天体与宇宙学

他量的是恒星每秒挪动几十米——那点晃动来自一颗看不见的行星

诺贝尔物理学奖 2019 发现一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星

「除了太阳,还有别的恒星带着行星吗」——这个问题从布鲁诺问到二十世纪末,一直没有答案,不是因为没人想问,而是因为看不见。

行星本身不发光,而且贴着一颗比它亮十亿倍的恒星。直接拍照在当年毫无可能。

从双星统计到行星

马约尔的本行不是找行星,是测速度。

他 1971 年的博士论文做的是银河系旋臂结构,靠的是恒星的运动学。此后二十年,他和同事把一件事做到了极致:用互相关方法从恒星光谱里读出视向速度。1977 年的 CORAVEL、1990 年代初上普罗旺斯天文台的 ELODIE,一代比一代准。

这套手艺原本用于双星统计。1991 年他与迪凯努瓦发表太阳邻域双星的普查,精度已经能碰到褐矮星的下沿——再往下一点,就是巨行星的地盘。

于是 ELODIE 的观测计划里排了 142 颗单颗的 G 型与 K 型恒星。样本之大,此前没有哪个小组做得到。他后来说得很实在:一百四十二颗恒星里出一颗热木星,恰好就是这类行星出现的频率,「我们并没有特别走运」。

那点晃动

行星绕恒星转,恒星也绕着共同质心画小圈。地球让太阳每秒挪动约 0.09 米,木星让它挪动约 12 米。这些数落到光谱上,是谱线极其微小的一红一蓝。

1994 年秋天,51 飞马座的数据里出现了周期约四天的规则摆动,幅度每秒 59 米。ELODIE 的精度是每秒 13 米,所以信号是实打实的。

麻烦在于那个「四天」。按太阳系的常识,木星质量的天体应该在远处、周期以年计。四天意味着这颗行星贴着恒星飞,轨道半径只有日木距离的百分之一,表面上千度。这样的东西不该存在。

他和博士生奎洛兹反复排查恒星本身的脉动与黑子,确认信号不是恒星在装神弄鬼。1995 年 10 月 6 日,他们在佛罗伦萨的会议上公布;几天之内,美国的两个小组用各自的设备确认了同一颗行星。

短周期这个当初最可疑的特征,反倒成了最快被验证的原因——别人只要盯几个晚上就能看到一整圈。

之后二十五年

发现之后,他把整套方法推向更高精度。1998 年 CORALIE 上智利,把搜寻扩到南天;2003 年他牵头的 HARPS 开光,视向速度精度做到每秒 1 米,从此海王星质量、超级地球接连出现。

今天已知的系外行星以千计。而那个把问题从哲学变成观测的时刻,是一台不大的摄谱仪,装在法国南部一座不大的天文台上。

代表方程

视向速度的多普勒判据

Δλλ=vrc≈2×10−7\frac{\Delta\lambda}{\lambda} = \frac{v_r}{c} \approx 2\times 10^{-7}

行星绕转时,恒星也绕着共同质心画小圈,于是谱线周期性地一红一蓝。51 飞马座的速度摆幅是每秒 59 米——比人走路快不了多少,落到谱线上只有两千万分之一的相对位移。能不能量到这个数,就是能不能发现行星。

51 飞马座 b 的三个数

K=59 m/s,P=4.23 天⇒ mpsin⁡i=0.47 M木星,a=0.05 AU\begin{aligned} K &= 59\ \mathrm{m/s}, \qquad P = 4.23\ \text{天} \\ \Rightarrow\ m_p\sin i &= 0.47\,M_{\text{木星}}, \qquad a = 0.05\ \mathrm{AU} \end{aligned}

从速度摆幅与周期,就能反推出行星的质量下限与轨道半径。结果是一颗木星量级的天体,却贴着恒星转,四天多一圈,距离只有日木距离的百分之一。这三个数当年最不可信的就是那个 4.23——太阳系里没有任何东西长这样。

伟大发现