文：辜品高
2019 地球並不孤單——尋找系外行星
人類在探索宇宙的世紀歷程中，不斷試圖尋找類似地球行星的諾貝存在，藉此證明地球並不孤單。爾物而在鍥而不捨地搜索後，理獎天文學家終於搜尋到多顆太陽系外的世紀行星。
2019年諾貝爾物理學的諾貝一半獎金，由兩位瑞士天文學家梅爾（Michel Mayor）和奎洛茲（Didier Queloz）所共享，爾物以表彰他們對於瞭解地球在宇宙地位的理獎貢獻。1995年，世紀時為日內瓦大學（Universite de Geneve）教授的諾貝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爾物系外行星。
獲獎宣布之後，理獎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，世紀畢竟在過去的諾貝二十五年，世人雖然都認為此為諾貝爾獎等級的爾物發現，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2019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，但是否有其他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，兩者也會以大約每秒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，它的光譜會呈現週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（51Pegasi）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）。
Photo Credit: 鷹出版 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。太陽系的木星公轉週期長達十二年，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，以累積超過二十年的數據，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。
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PSRB1257+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。毫無疑問是有史以來第一次系外行星的發現。可惜來自中子星高能量的粒子和輻射會摧毀其生命的發展，終究人們還是高度冀望能找到環繞類似太陽恆星的行星。
起因於意外的發現
加拿大和美國團隊相繼尋找系外行星並無所獲，畢竟軌道週期太長，短時間的觀測難有確定的結果。這使得梅爾和奎洛茲感到尋找系外行星的困難，於是他們決定改變研究的策略，尋找環繞恆星的棕矮星。
棕矮星的質量是介於恆星和木星型行星之間的天體，所以引起的母恆星的都卜勒位移更為明顯。當時沒有理論預測棕矮星和恆星的公轉週期，所以梅爾和奎洛茲嘗試著尋找短週期公轉的棕矮星。結果他們發現約50光年之外在飛馬座方向，一顆編號為51且類似太陽的恆星，呈現週期僅4.23天的光譜位移。但這並不是顆棕矮星，而是一顆最低質量約為一半木星質量的行星，它和母恆星之間的距離大約是木星和太陽距離的百分之一。出乎意料之外的結果，之前沒有人認為木星型的行星會以幾天的時間環繞母恆星一次！
美國的馬爾斯團隊很快在一週內確認這顆名為飛馬座51b的存在。在後續的幾年，馬爾斯和梅爾團隊互相競爭，分別找到許多類似的系外行星。這類行星因為離母恆星太近，表面溫度超過攝氏1000度，有別於太陽系寒冷的木星，稱之為熱木星（Hot Jupiters）。
而國際天文聯合會（International Astronomical Union, IAU）在2015年所舉辦的幫系外行星取名的活動中，飛馬座51b被大眾投票取名為Dimidium，該字彙在拉丁文為「一半」，是取其質量僅木星一半之意。
系外行星其實普遍存在
梅爾和奎洛茲的團隊在2003年改進都卜勒位移的技術，將整套光譜儀放入一個低溫的真空箱裡，大輻度減低熱雜訊，都卜勒精準度達到每秒一公尺，隨後並發現許多小質量的系外行星。包括環繞紅矮星葛利斯581（Gliese 581）的數顆超級地球。紅矮星是質量較小的太陽，很容易受到行星的擾動。天文學家也利用該光譜儀，發現連離太陽系最近的恆星系統，也就是4光年外的比鄰星（Proxima Centauri），都有一顆類似地球的系外行星。因此證實地球其實並不孤獨，梅爾團隊發現平均每兩顆類似太陽的恆星，就擁有一顆行星。