原子钟的妙招，对准了太阳

为了在另一颗恒星周围找到地球的孪生兄弟，天文学家观察恒星的晃动。一颗地球质量的行星，在与地球相当的距离上绕一颗类太阳恒星运行，只会让恒星以每秒8.9厘米的速度移动，周期为一年或更长。如此微小的运动，只会让恒星的谱线移动百亿分之几。

最好的行星搜寻仪器之所以能接近这一精度，是因为它们把星光铺展在大型光栅上，并同时对数百甚至数千条谱线的移动取平均。即便用激光频率梳校准，它们测量的仍然是光落在探测器上的位置——是波长，而不是频率。

向原子钟取经

光钟是最精确的计时器，它的工作方式不同。光钟把激光锁定在一个原子跃迁上，并用光学频率梳来计数它的频率；光学频率梳是一种激光，它的光构成一把频率间隔均匀的“尺子”。问题在于：光钟需要的是干净的实验室激光，而不是恒星那种混沌的热辐射光。

科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院（NIST）的Connor Fredrick、Ryan K. Cole及其同事，在Scott Diddams的领导下，现在把光钟的配方用到了太阳光上。他们把成果称为太阳光钟。

一条谱线，一束激光

• 屋顶上的一台小型太阳跟踪器把来自整个日面的光送入一根单模光纤——这样，太阳就像一颗遥远的恒星那样被观测。
• 在实验室里，太阳光与一束激光在探测器上混合。激光的频率被来回微微调制，由此产生一个信号，它恰好在一条位于1565.28纳米附近、宽约4.3吉赫的铁吸收谱线的中心处降为零。这个宽度并不是仪器的缺陷：太阳气体的热运动和对流把谱线抹宽了，而中心就得在这条模糊的带子里找出来。
• 一个反馈回路让激光保持锁定在那里。与此同时，一台与氢原子微波激射器（即氢原子钟，在几个小时的尺度上非常稳定，这里用作时间基准）相连、并经NIST校准的频率梳持续计数激光的频率——这直接关联到秒的官方定义。

频率的十亿分之一

在1秒内，激光就能把谱线中心确定到约3兆赫，也就是谱线宽度的一千四百分之一。换算成速度是每秒4.7米：多普勒效应让光的频率按光源速度成比例地移动，而在这个波长上，每秒1米约相当于0.64兆赫。在几千秒内取平均后，这一数值降到约200千赫——约每秒30厘米，即光频率的十亿分之一。

这一精度紧紧跟随此类测量中光子随机到达所预期的量子极限：在所测的平均时间范围内，看不出有仪器噪声叠加上去。与团队此前那台缓慢扫过谱线的仪器相比，锁定的激光精度提高了近十倍。

(a) 锁定激光（深蓝）和扫描式仪器（浅蓝）在5000秒内对谱线中心的测量；(b) 太阳的振荡表现为5.5分钟附近的一个峰；(c) 精度随平均时间提高，逐渐接近量子极限（虚线）。——图4，Fredrick、Cole等（2026），arXiv:2610.28485。

太阳在呼吸，月亮在经过

这些测量揭示了太阳自身的运动。5.5分钟处一个清晰的峰，显示了太阳表面的声学振荡，这些声波可以用来探测太阳内部。但它们也是一种干扰：只有当平均时间跨过它们五分钟的周期之后，精度才会急剧提高。

2024年4月8日，团队在博尔德观测了日偏食，当时月亮遮住了约80%的太阳。由于太阳在自转，它的一侧边缘朝我们运动，另一侧则远离我们。随着月亮先遮住一侧边缘、再遮住另一侧，铁谱线最多移动了约每秒500米——这就是罗西特–麦克劳克林效应（Rossiter-McLaughlin effect），也正是用来研究凌星行星的同一种特征信号。

两台仪器观测到的2024年4月8日日食：(a) 随着月亮穿过日面，谱线先朝一个方向、再朝另一个方向移动；(b, c) 锁定激光（深蓝）的离散远小于扫描式仪器（浅蓝）。——图5，Fredrick、Cole等（2026），arXiv:2610.28485。

从太阳到其他恒星

作者估计，一台配备自适应光学系统的25至40米望远镜——正在建设中的巨型麦哲伦望远镜和极大望远镜就在这一口径范围内——可以在几小时内把这种单谱线精度应用到最近的类太阳恒星上。更精细的调制、更长的平均时间以及同时测量多条谱线，有望把精度推向每秒10厘米。

恒星本身也设下了极限。它们沸腾的表面，即米粒组织，即使在一小时的时间尺度上也会带来每秒几十厘米的噪声。逐条测量谱线——每条谱线对磁场和深度的敏感方式各不相同——恰恰可能有助于把恒星自身的躁动与一颗看不见的行星的牵引区分开来。