解決方案
1995年,人類對類太陽恆星周圍的行星一無所知。徑向速度的概念由來已久——觀測恆星因不可見行星牽引而產生的都卜勒位移——但訊號極為微弱:木星對太陽的牽引速度僅約每秒12公尺,而馬約爾1977年在上普羅旺斯天文台自製的第一台光譜儀,極限僅接近每秒300公尺。因此,搜尋目標都鎖定在軌道週期長達十年的類木星行星,這需要無人具備的穩定性與耐心。
馬約爾的日內瓦團隊重建了整條鏈路:光纖將星光無失真地傳送至光譜儀,新型CCD提升了靈敏度,客製軟體負責影像歸算。博士生迪迪埃·奎洛茲在1994年春季將速度下限推進至每秒10–15公尺,並對恆星進行高頻取樣。在飛馬座51周圍,速度以4.23天週期、約每秒56公尺的振幅擺動——一顆木星大小的氣體球在數日內繞行一週,而理論認為巨行星不可能在如此近的距離形成。他們花了數月排除脈動與假象,才於1995年10月宣布;這顆行星如此奇特,當時無人相信。
1995年11月的《自然》論文已被引用超過3,000次,開創了「熱木星」這一類別。如今已知的系外行星超過4,000顆,大多位於與我們截然不同的系統中,迫使行星形成理論圍繞遷移機制改寫。2019年諾貝爾物理學獎有一半授予馬約爾與奎洛茲,以表彰這項發現;而徑向速度的精確度持續攀升,正朝地球雙胞胎每秒0.09公尺的牽引邁進。
成就了什麼
快速取樣;近距離巨行星的擺動最為劇烈
為何奏效
都卜勒徑向速度以質量加權:追蹤恆星的運動,是唯一能稱量不可見天體的方法。
擺動振幅隨週期縮短而增大,因此近距離巨行星高聲吶喊,而真正的類木星行星只是低語。
光纖饋入、穩定的光譜技術將雜訊下限從每秒300公尺降至每秒10–15公尺——低於每秒56公尺的訊號,這正是關鍵所在。
當軌道僅4.2天時,數晚的高頻取樣勝過十年的稀疏監測。
可應用之處
將新儀器對準訊號最強之處,而非預期答案所在之處:第一顆熱木星之所以容易看見,正因為它是理論上不該存在的行星。
後續發展
熱木星後來被證明相當常見,行星遷移也進入了每一個形成模型。克卜勒與TESS後來透過凌日法發現了數千顆新世界,但徑向速度法仍是稱量其質量的途徑。馬約爾與奎洛茲與宇宙學家詹姆斯·皮布爾斯共享2019年諾貝爾物理學獎的另一半;如今的巡天計畫正追求每秒0.1公尺的精確度,以尋找真正的地球雙胞胎。
追溯依據
參考來源
- Popular information: They explore our cosmic neighbourhoods NobelPrize.org (Physics 2019) · nobelprize.org
- The Nobel Prize in Physics 2019 - Press release NobelPrize.org · nobelprize.org ·
- 51 Peg b overview: period 4.23 d, radial velocity discovery 1995, Mayor & Queloz 1995 NASA Exoplanet Archive · exoplanetarchive.ipac.caltech.edu