本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
1995 年，就像 1492 年一样，是发现时代黎明。新的探险家们不再使用远洋船只来发现大陆，而是使用望远镜来发现围绕遥远恒星旋转的行星。已经发现了数千颗这样的太阳系外行星，这个术语通常缩写为“系外行星”，其中包括一些潜在的类地世界，以及与我们太阳系中的任何行星都截然不同的奇异天体。
这些系外行星探险家中的两位，米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹，最近因他们在 1995 年的发现而被授予了诺贝尔物理学奖的一半。我的同事和我一致钦佩他们开创性的工作，并为继续他们开始的工作而感到自豪。
但是诺贝尔奖的引述有些奇怪。它说：“为了发现一颗围绕太阳型恒星运行的系外行星”。难道不应该说是第一颗系外行星吗？毕竟，数百名天文学家发现了一颗系外行星。我帮助发现了一些。甚至高中生和业余天文学家也发现了它们。诺贝尔委员会犯了排版错误吗？
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不，他们没有，因此有这样一个故事。
正如决定谁发现了美洲（克里斯托弗·哥伦布？约翰·卡伯特？莱夫·埃里克森？阿美利哥·韦斯普奇，他的名字是广为流传的？那些数万年前从西伯利亚步行而来的人？）是有问题的，说谁发现了第一颗系外行星也很难。至少有五位可信的竞争者，考虑每种情况的优点是很有趣和引人入胜的。因此，让我们假装我们在诺贝尔委员会，负责选出获胜者。
但是，首先，我们需要了解系外行星出现之前天文学家的心态。他们期望所有行星系统都与我们自己的太阳系相似。并非在每一个细节上，但至少在一些重要方面：行星的轨道几乎是圆形的，并且位于同一平面内，巨大的行星（如木星）在外面，而岩石行星（如地球）离恒星更近。
几个世纪以来，天文学家发展了一种行星形成理论，该理论解释了为什么这些模式应该是普遍的，这是在新星周围的物质漩涡中发生的物理过程不可避免的结果。我很想描述这个理论，但我会省略细节，因为早期的系外行星发现表明这个理论是错误的，或者至少是不完整的。您需要知道的是，这种期望根深蒂固。
您还需要知道如何检测系外行星。您可能尝试的第一件事是将望远镜对准一颗恒星，并寻找围绕它旋转的较暗物体。这几乎是不可能的：行星太暗了。相反，第一颗系外行星是通过观察恒星的运动来检测的。
孩子们被教导行星围绕太阳旋转，但这有点是善意的谎言。实际上，太阳和行星围绕整个太阳系的质心旋转。如果您构建一个平放在盘子上的太阳系比例模型，那么质心就是您可以将盘子平衡在指尖上的位置。太阳是太阳系中质量最大的组成部分，因此它始终靠近质心，但它确实会稍微移动。遥远恒星周围的行星也应该导致恒星移动。这为天文学家提供了一种使用多普勒效应找到它们的方法。
每当一个移动的物体发出波（例如声波或光波）时，波之间的长度在前进方向上会被压缩，在反方向上会被拉伸。对于声音，波长决定了音调，这解释了为什么救护车的警笛在快速经过时音调会下降。对于光，波长决定颜色。当恒星向我们移动时，它的光会显得略微偏蓝，而当恒星后退时，它会变红。我们谈论的是百万分之几或更少的微小变化，这就是为什么您需要专门的天文设备来检测它们的原因。
我们差不多准备好回顾第一颗系外行星的发现者的候选人，但还有一件事。我们应该提前决定发现的含义。这将被证明很重要。
字典的定义是“首次获得知识”。好吧，但是知识是什么？为此，我们翻阅哲学教科书，在关于认识论的章节中，我们了解到知识是有理由的真实信念。那么，我们的任务是找出第一个对系外行星的存在持有有理由的真实信念的人。
因为它必须是真实的，所以我们不需要讨论所有失败的尝试和虚假的说法，这些说法数十年来损害了行星猎人的声誉。通过要求它是有理由的，我们搁置了幸运的猜测者。1953 年，菲利普·K·迪克写了一个以恒星比邻星周围的行星为背景的故事，2017 年，天文学家探测到了这样一颗行星，但菲利普·K·迪克并没有发现这颗行星。
我们的简报现已完成，我们可以按时间顺序欢迎竞争者入场。
1979 年，戈登·沃克和不列颠哥伦比亚大学的几位同事开始寻找行星。他是世界上精确多普勒观测方面的权威。他设计的调查基于所有行星系统都类似于太阳系的前提。最大的信号（并且考虑到他设备的局限性，他唯一有可能检测到的信号）将来自类似于木星的巨大行星，木星绕太阳旋转需要 12 年的时间。这意味着沃克需要致力于一个非常长期的项目。
他还必须希望像木星这样的行星很常见，因为他只能监测大约 20 颗恒星。为了扩大他的搜索范围，他需要望远镜时间分配委员会的更多支持，但这并没有实现。沃克后来写道：“如今很难意识到 20 世纪 80 年代对提出的[太阳系外]行星搜索的怀疑和漠不关心的气氛。有些人认为，这样的事业甚至不是天文学的合法组成部分。”
尽管有这个障碍，到 1988 年，他已经检测到一个木星质量行星的信号，该行星每 2.7 年围绕一颗名为仙王座伽玛的恒星旋转。那么，沃克会赢得奖项吗？他对这颗行星的存在有真实和有理由的信念吗？
好吧，它是真实的：这颗行星的存在在 2003 年得到明确证实。问题在于，1988 年的信念是否是有道理的。沃克的信号在噪声中清晰地突出出来，但他仍然担心自己被愚弄了。多普勒信号可能由行星以外的其他原因引起。也许 2.7 年的模式来自恒星的自转，而不是运动。太阳每月自转一次，但沃克认为仙王座伽玛是一颗巨大的恒星，自转速度可能要慢得多。
在 1992 年的一篇论文中，基于这种担忧，沃克放弃了来自仙王座伽玛的信号代表一颗行星的主张。但事实证明，这颗恒星被错误分类了。它不是一颗巨大的恒星。沃克被愚弄地担心自己是在愚弄自己。鉴于近乎敌意的怀疑气氛，他的谨慎是自然的。也许最好说沃克检测到了这颗行星，但并没有完全发现它。
这让我们来到了下一位竞争者，史密森尼天体物理天文台的大卫·莱瑟姆。1989 年，他和他的合作者报告了一颗名为 HD 114762 的恒星周围一个有趣的的多普勒信号。该信号非常清晰。它的特征与轨道运动兼容，与自转不兼容。
这似乎是一项轻而易举的发现。事实上，HD 114762 已被纳入 NASA 的综合系外行星数据库，并以 1989 年作为发现年份记录在案。这比马约尔和奎洛兹早六年。
那么，为什么莱瑟姆不会与瑞典国王握手呢？因为当时，莱瑟姆的成就并没有被认为是行星的发现。关于这颗假定的行星有一些奇怪的事情。
首先，轨道远非圆形。它是一个椭圆，一个维度是另一个维度的两倍——与太阳系的行星完全不同。其次，这颗行星的质量是木星的 11 倍，这似乎很古怪。事实上，这颗行星的质量甚至可能更大，因为多普勒方法只能告诉我们这颗行星的最小可能质量。这是因为恒星在所有三个维度上移动，但多普勒效应仅来自其中一个维度：向观察者移动或远离观察者的运动。
最后，这个行星的轨道对于一颗巨行星来说似乎太小了。它的大小还不到木星轨道的十分之一。根据行星形成的理论，巨行星不应该在如此靠近恒星的位置形成。那里应该是小型岩石行星的领域。
拉瑟姆认为这可能是一颗行星，但他的一些团队成员（以及大多数其他天文学家）认为这有点牵强。他们在 1989 年的论文中只是推测性地提到了行星的可能性。他们写道，更可能的是一颗褐矮星，一种未能点燃核聚变反应的“失败的恒星”。
然而，今天，HD 114762 的所有“怪异之处”都不再被认为是怪异的了。我们知道，有百分之几的类太阳恒星拥有一颗轨道小而高度椭圆的巨行星。其中一些的质量确实高达木星的 10 倍甚至 20 倍。
拉瑟姆很有可能成为第一个发现系外行星的人，但这只是从我们的回顾性角度来看。这一说法真实，并且有充分的数据支持。但当时，由于人们先入为主地认为行星应该看起来和行为都像太阳系中的行星，因此它没有被相信。
接下来发生的事情令人震惊。1992 年，亚历山大·沃尔什赞和戴尔·弗雷尔宣布，他们使用多普勒方法的变体发现了两颗质量与地球相当的行星。证据确凿且令人信服。令人震惊的是，这颗恒星不是像太阳一样的普通恒星，而是一颗脉冲星。
脉冲星是宇宙中最奇特的物体之一。它们是超新星爆炸的残余物，当一颗巨大的恒星耗尽核燃料并变得不稳定时，就会发生超新星爆炸。脉冲星将整个太阳的质量压缩到一个直径仅 20 公里的球体中，使其密度如此之大，以至于稍有不慎就会坍缩并变成黑洞。此外，它还可以每秒旋转数百次，并喷射出无线电波、X 射线和致命剂量的辐射。
我们应该如何评价这个第一颗系外行星的候选者呢？这一说法是真实且有理有据的。它被天文学界所相信，并且仍然被相信。唯一的障碍是，围绕脉冲星运行的物体是否应该被认定为行星。
到那时为止，天文学家对行星的定义是一个质量太小，不足以成为恒星或褐矮星的物体。脉冲星的发现迫使人们进行了更仔细的评估。也许行星这个词应该保留给围绕普通恒星而不是僵尸恒星运行的物体。（现在您明白为什么 2019 年的诺贝尔奖引文提到了“围绕类太阳恒星的系外行星”）。
一些天文学家坚持认为，行星必须在围绕年轻恒星旋转的物质漩涡中形成。脉冲星的伴星不是在那里形成的。据推测，它们是在超新星爆炸后形成的，因为它们不可能在灾难性的能量爆炸中幸存下来。也许一些爆炸物质最终又落回了原处，并开始围绕中子星运行，行星就是从这种物质中形成的。然而，任何基于形成的定义的一个严重问题是，对于“正常”行星的形成，也没有普遍认可的理论。
最终发生的是，天文学家习惯于将沃尔什赞和弗雷尔的物体称为行星。但脉冲星行星被视为异类，而对更多脉冲星行星的搜索结果证明是徒劳无益的。已知只有一颗其他脉冲星拥有行星，即使在那种情况下，证据也不够可靠。
这就引出了 1995 年。来自瑞士日内瓦天文台的两名天文学家米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹一直在改进多普勒技术。早些时候，马约尔曾帮助拉瑟姆观察他的恒星。然后，他和他的学生奎洛兹决定自己去寻找行星。他们在法国拥有一台望远镜的近乎垄断的权利，这使他们能够比沃克或拉瑟姆监测更多的恒星。
他们的一颗恒星，一颗名为飞马座 51 的类太阳恒星，以 50 米/秒的振幅来回移动，周期仅为 4.2 天。该信号暗示存在一颗最小质量介于土星和木星之间的行星。这是一个让天文学家感到舒适的质量。不太令人满意的是轨道距离：仅为地球到太阳距离的二十分之一。
许多理论家坚持认为，那里不是巨行星应该存在的地方。由于如此靠近恒星，围绕飞马座 51 运行的物体被加热到数千度。马约尔和奎洛兹发现了一种后来被称为“热木星”的行星，这种行星在当时的行星形成理论中被认为是无法存在的。
天文学界持怀疑态度，不仅是因为与他们的期望相矛盾，还因为该领域的不光彩历史。有人担心多普勒频移来自恒星脉动，而不是轨道运动；也许飞马座 51 的表面会以有规律的节奏凸出，然后又回缩。
然而，在接下来的几年里，所有这些担忧都被打消了。这是真的。行星形成理论必须更新。
因此，马约尔和奎洛兹是第一个对每个人都同意是围绕类太阳恒星运行的系外行星的物体的存在持有有理有据的真实信念的人。同样重要的是，飞马座 51 的发现与第一次看到一个未被探索且看似无限的陆地大陆具有相同的效果。行星发现和该领域科学家数量的指数增长始于 1995 年。这就是为什么诺贝尔委员会认为马约尔和奎洛兹应该获得科学界的关注（以及 50 万美元）的原因。
不过，戴上我学究的帽子，我将指出，关于飞马座 51 是一颗行星的说法并非 100% 合理。请记住，多普勒方法只揭示了轨道物体的最小质量——真实质量可能更大。如果它的轨道恰好垂直于我们的视线，则质量会大得多。虽然这需要一个非常不可能的巧合，但当时可以想象飞马座 51 的伴星实际上是一颗褐矮星。事实上，它是一颗行星。真实质量最终是通过一种依赖于探测行星自身光线的不同技术测量的，但直到 2015 年才完成。
第一个质量被明确测量的系外行星名为 HD 209458b。在这种情况下，行星的轨道恰好将其直接带到恒星前方，导致微型日食。这消除了通常关于轨道方向的不确定性。日食是 1999 年由两个竞争小组发现的，一个由大卫·查博诺领导，另一个由格雷戈里·亨利领导。但尽管这在技术上是一个更明确的发现，但到那时，天文学界已经不再怀疑飞马座 51 和其他类似物体的发现了。
撇开吹毛求疵不谈，还值得注意的是，尽管有许多虚假的开始，但探测系外行星是少数几次项目最终比预期更容易的奇妙场合之一。通常，墨菲定律盛行：一切都比你预期的更难，花费的时间更长。在这种情况下，热木星的存在使得事情变得更容易，这是大自然的一份礼物，没有人预料到。热木星产生最大的多普勒信号，只需几周的数据就可以检测和确认它们；无需像沃克认为的那样等待数十年。
事实上，没有人预料到热木星是不完全正确的。1956 年，奥托·斯特鲁夫写了一篇短文，指出多普勒测量的精度已经足以检测到大质量行星，但前提是它们存在于微小的轨道中。撇开这种行星是如何形成的问题不谈，他意识到没有任何物理定律禁止这种行星存在。他的论文本可能开启一个全新的天文学领域，但事实上，它默默无闻地被遗忘了。如果能够观察到更多的恒星，飞马座 51 周围的行星可能在 1960 年代初或肯定在 1980 年代被沃克发现。
当我过度悲观时，我都会努力记住这个故事。即使一个领域因为以前被证明是错误的说法而受到玷污，即使其他有才华的人以前尝试过，即使理论家告诉你你的想法是牵强的——仍然可能有一个真正壮观的现象等待被发现。