1995年，來自日內(nèi)瓦大學(xué)的米歇爾·麥耶（Michel Mayor）及迪迪?！た迤潱―idier Queloz）發(fā)現(xiàn)了第一顆圍繞類日恒星運行的系外行星——飛馬座51 b（51 Pegasi b）。這一發(fā)現(xiàn)獲得了2019年的諾貝爾物理學(xué)獎。

這里說“第一顆圍繞類日恒星運行的系外行星”是因為在1992年亞歷山大·沃爾茲森（Aleksander Wolszczan）發(fā)現(xiàn)了“第一顆系外行星”，事實上他們發(fā)現(xiàn)了兩顆，不過這兩顆行星圍繞的是一顆位于室女座的脈沖星（PSR B1257+12），是已經(jīng)死亡的恒星，和我們的太陽很不一樣。脈沖星旋轉(zhuǎn)非?？?，而且會發(fā)射出大量的輻射，人們認(rèn)為那樣的環(huán)境不適合生命生存。而飛馬座51b圍繞的恒星是飛馬座51(51 Pegasi)，它的質(zhì)量約是太陽的1.045倍，直徑約是太陽的1.025倍，和太陽很像。

飛馬座51b則和我們的木星很像，質(zhì)量約為木星的一半，體積約是木星的兩倍，但它的軌道非常接近它的恒星，約為水星與太陽距離的六分之一，使得它的公轉(zhuǎn)周期只有4天左右。由于離恒星的距離太過接近，導(dǎo)致其表面溫度高達(dá)1000攝氏度，所以它也被稱為“熱木星”。

之前，人們普遍認(rèn)為大質(zhì)量的氣體行星只能在離恒星較遠(yuǎn)的軌道上運行，因為這些行星含有氣體、冰以及易揮發(fā)化合物，這些物質(zhì)在距離恒星較近的較熱環(huán)境中往往無法存在。就像我們太陽系，靠近太陽的軌道上是水星、金星、地球這樣小質(zhì)量的巖質(zhì)行星，木星那樣大質(zhì)量的氣體行星會在離太陽較遠(yuǎn)的軌道上。飛馬座51b的發(fā)現(xiàn)改變了人們的這一看法，靠近恒星的軌道上也可以形成大質(zhì)量的氣體行星，恒星附近的環(huán)境并不影響類似木星的行星形成。

我們來看一下飛馬座51 ，它位于飛馬座。飛馬座在夜空中還是比較好認(rèn)的，有4顆明亮的星星組成的一個比較接近正方形的大四邊形的星座就是它了。這個四邊形也稱“秋季四邊形”，在我國秋季的夜空中是很顯眼的，組成四邊形的4顆星中就有3顆是2等星。

大四變形可以看作馬的身子，伸出來的兩條線則是馬腿，另一端伸出來的一條線就是馬首。

飛馬座51 就在大四邊形靠近馬腿那一邊的中點附近（圖中紅圈處），它離地球約50光年。這么遠(yuǎn)的距離，我們怎么發(fā)現(xiàn)它的行星呢？行星本身是不發(fā)光的，這么遠(yuǎn)的距離，以當(dāng)時的技術(shù)條件，直接觀測一顆恒星附近的行星是非常困難的。因此，只能采取一些間接的辦法。

米歇爾·麥耶和迪迪?！た迤澥褂玫氖菑较蛩俣确ǎ≧adial Velocity Method）。徑向速度，即物體運動速度在觀察者視線方向的速度分量，即速度矢量在視線方向的投影，又稱視向速度。

恒星對行星有引力，而行星對恒星也有引力，當(dāng)行星繞恒星轉(zhuǎn)動時，它的引力會使恒星圍繞著恒星和行星的共同質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)，從遠(yuǎn)處看就像恒星在“擺動”。比如我們的木星就會使太陽以大約每小時35公里的速度位移。行星質(zhì)量越大、越接近恒星，這種“擺動”就越明顯。從地球上看，恒星時而向著地球運動，時而遠(yuǎn)離地球運動，如此周期往復(fù)。由于多普勒效應(yīng)，恒星向著地球的時候，我們觀察到它的光譜會向藍(lán)端移動，稱為“藍(lán)移”；恒星遠(yuǎn)離地球的時候，則會向紅端移動，稱為“紅移”。通過光譜偏移的量我們就能算出恒星徑向運動的速度，通過一段時間的觀測，我們還可以得到紅移藍(lán)移的周期，這反應(yīng)了恒星受行星影響而“擺動”的周期，也就是行星繞恒星運行的周期。

多普勒效應(yīng)：波在波源移向觀察者接近時接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時接收頻率變低。當(dāng)一列高鐵迎面駛來的時候，我們聽到的聲音音調(diào)比原來高；而高鐵離去的時候聲音音調(diào)比原來低。多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波，它也適用于所有類型的波，包括光。

圖中是飛馬座51b的觀測數(shù)據(jù)，看起來就像一條sin曲線，我們可以得到它公轉(zhuǎn)周期約為4.2天，也就是說它一年只有4天多一點。它的徑向速度約為55.9m/s,我們還知道了它的恒星飛馬座51的質(zhì)量是太陽的1.054倍，通過牛頓萬有引力定律和開普勒定律我們就可以求得它的質(zhì)量了。

下面我們就以飛馬座51b為例來演示如何根據(jù)觀測數(shù)據(jù)來確定行星的軌道半徑和質(zhì)量。

為了簡化計算，我們先來做一些假設(shè)：

1) 行星繞恒星運行的軌道與我們的視線平行

2) 行星繞恒星做勻速圓周運動

3) 恒星只有一顆行星

首先，行星繞恒星運動的軌道與我們的視線平行，這將使得我們省去按一定角度投影計算的工作；其次，勻速圓周運動比按橢圓軌道運動容易求解；最后，如果恒星有多顆行星，那問題將變得更復(fù)雜。

我們已知的有：

飛馬座51的質(zhì)量M：1.054 Msun（即1.054個太陽質(zhì)量）

飛馬座51的軌道速度V：55.94 m/s

飛馬座51b的軌道周期T：4.2 天

我們要求的：

飛馬座51b的質(zhì)量m

飛馬座51b的軌道半徑R

開普勒第三定律告訴我們，繞以太陽為焦點的橢圓軌道運行的所有行星，其各自橢圓軌道半長軸的立方與周期的平方之比是一個常量：

其中a是橢圓軌道半長軸，M為恒星質(zhì)量，因為我們已經(jīng)假定行星做勻速圓周運動，所有橢圓半長軸也就等于半徑R，因而有：

變化一下，我們就得到了飛馬座51b的軌道半徑R。

式中的右邊都是已知項，代入數(shù)據(jù)就可以算出R的結(jié)果。接下來我們再來求解它的質(zhì)量m。

由動量守恒定律我們有：

其中，v為飛馬座51b的線速度。

于是有：

又因為：

我們得出：

算出來之后，我們可以和飛馬座51b的數(shù)據(jù)比對一下：

除了徑向速度法，尋找系外行星還有脈沖星計時法、直接成像法、重力微透鏡法、凌日法等。