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2019-11-292019 諾貝爾物理學獎 系外行星 600 期

Author 作者 辜品高/德州大學奧斯汀分校物理博士。曾任國立臺灣師範大學兼任助理教授,現任中央研究院天文所副研究員。
今年諾貝爾物理學的一半獎金,由兩位瑞士天文學家梅爾(Michel Mayor)和奎洛茲(Didier Queloz)所共享,以表彰他們對於瞭解地球在宇宙地位的貢獻。1995 年,時為日內瓦大學 (Université de Genève)教授的梅爾和他的博士生奎洛茲,首次發現一顆環繞類似太陽恆星的系外行星。

獲獎宣布之後,奎洛茲接受英國廣播公司新聞頻道(BBC News)訪問表示無法相信自己能獲獎,畢竟在過去的25 年,世人雖然都認為此為諾貝爾獎等級的發現,但始終都獎落人家,因此他也逐漸淡忘是否能得獎。事實上,過去能獲得諾貝爾獎的天文學家,大部分都與宇宙論或是重力場有關,即使在今年,另一半的物理學獎還是頒給宇宙論的理論大將皮博斯 (James Peebles)。


這是一場以小搏大的較量

直接觀測從系外行星發出來的光相當困難,主要的原因是母恆星的強大輻射完全吞噬行星的光。看不到行星,但是否有其它辦法知道它們的存在?兩個天體可以因彼此的重力,互相繞著共同質心運轉。所以當行星環繞恆星的時候,恆星同時也環繞著行星,只不過行星的質量遠比母恆星的質量小,以小搏大的結果,造成恆星環繞的動作相當不明顯。舉例來說,太陽因為木星的公轉, 本身也會以大約每秒10公尺的速度環繞著彼此的質心運轉。 當恆星在做週期性環繞運動時,它的光譜會呈現周而復始的紅移和藍移現象,即都卜勒效應。而要觀測到如此微小的都卜勒光譜位移相當困難。梅爾和奎洛茲突破這項挑戰,發現飛馬座51(51 Pegasi)恆星的光譜有都卜勒效應的週期變 化,知道有一顆木星質量的行星環繞著它(圖一)。


圖一:母恆星受看不見行星的擾動,所呈現都卜勒光譜位移的示意圖。
 

誰發現第一顆系外行星

在1990年代之前,除了梅爾和奎洛茲,還有其他團隊也運用相似的方法尋找行星。加拿大的坎貝爾(Bruce Campbell) 以及沃克(Gordon Walker),美國的馬爾斯(Geoffrey Marcy)和他的學生巴特勒(Paul Butler)兩組人馬都有實力比梅爾更早發現系外行星(圖二)。太陽系的木星公轉週期長達12 年,加拿大和美國的團隊都鎖定類似木星的系外行星,尋找公轉週期若干年的都卜勒位移。加拿大的團隊於1988年發現 45光年外仙王座的γ恆星(Gamma Cephei)行星環繞的現象,但他們 在1992年認為都卜勒位移是恆星自轉的結果,自我否決行星的可能性。 雖然該團隊在2002年,以累積超過 20年的數據,平反曾經否定的結果, 但卻已與第一發現的身分擦身而過。沃克教授是位平易近人的研究者, 筆者有幸在2005年和他的團隊合作 過,研究行星在母恆星表面所引起的磁風暴。


圖二:梅爾在2018年劍橋大學的一場學術演講的投影片,講述早期尋找系外行星的歷史,許多團隊的光譜都卜勒位移的精度皆可達15 m∕s。(作者提供)

當加拿大團隊在1992年否決他們發現的同時,波蘭的天文學家沃爾茲森 (Alexander Wolszczan)與他的同事,偵測到中子星PSR B1257+12 的無線電波脈衝的週期發生異象,進而發現此中子星擁有兩顆超級地球。
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