?

但要找到這些隱藏在星光背后的天體卻是困難重重。它們的信號可能隱藏在星光微弱的亮度變化，或是漫長閃爍周期的短暫波動中。

?

在這篇節(jié)選自《環(huán)球科學》4月新刊的文章中，我們將看到：借助不斷升級的望遠鏡和全球合作，人類正在逐步接近系外衛(wèi)星。

?

撰文 | 麗貝卡·博依爾（Rebecca Boyle）

翻譯 | 許峰瑋

?

1655年，丹麥天文學家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）親自搭建起了一臺折射式望遠鏡，并將其對準土星。他認為這個行星周圍環(huán)繞著一個固態(tài)環(huán)，打算觀測這個環(huán)的傾角如何隨時間變化。不過他卻在觀測過程中看到了一些意料之外的東西——一個巨大的衛(wèi)星（現(xiàn)在我們稱之為土衛(wèi)六或泰坦星）。土星成為了繼地球和木星之后，第三個被發(fā)現(xiàn)具有衛(wèi)星的行星。在太陽系中，土星那樣的環(huán)的確很罕見，不過衛(wèi)星則是司空見慣了。

?

直到20世紀末，人類所知的行星還僅是包括地球在內，沐浴著太陽光芒的8顆系內行星。不過，從上世紀90年代開始，人類對行星的認識有了變化，當時天文學家發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽系外行星。而到2009年，當開普勒空間望遠鏡將它的鏡頭對準宇宙深處時，過去的認識更是被徹底顛覆了。我們現(xiàn)在知道宇宙遍布著行星，其數(shù)量遠比恒星要多。我們尚未找到一顆看上去像是地球的行星，或證明某個系外行星擁有衛(wèi)星，但是我們正在一步步接近這些目標。

?

21世紀初期，當天文學家通過遮擋星光找到一些系外行星時，他們就開始考慮系外衛(wèi)星了，而從2018年開始的一些研究也發(fā)現(xiàn)了幾個有希望的候選體。實際上，能夠準確定位一顆太陽系外行星的衛(wèi)星，將會是我們認識宇宙的又一塊里程碑。通過這項工作，我們將會確認這些衛(wèi)星在宇宙中到底是無處不在的，還是稀有罕見的；相對于它們的宿主行星普遍偏大還是偏??；它們是通常伴隨著母體行星形成，還是在行星形成之后的一次災難性事件中誕生；這些衛(wèi)星是結伴形成，還是單獨出現(xiàn)。

?

中國臺灣“中央研究院”天文及天體物理研究所的博士后亞歷克斯·泰切（Alex Teachey）和同事發(fā)現(xiàn)，系外行星Kepler-1625b可能擁有一顆衛(wèi)星。他說：“每次我們看到系外行星，我都會把它看成一面映射地球歷史的鏡子，在哪些方面我們是普通的，而在哪些方面我們又是獨一無二的呢？就像我們開始觀察到那些古怪的系外行星系統(tǒng)一樣，我們可能會很驚訝于系外衛(wèi)星的奇特?！?/p>

?

插圖：戴維·帕倫博（David Palumbo）

?

?

衛(wèi)星紅利

?

不管是在太陽系中，還是我們目前所能看到的范圍內，地球仍舊是獨特的。畢竟它是我們所知唯一孕育了生命的行星，也是唯一一個用活躍的內部活動塑造了表面的行星——板塊構造使得生命得以傳播并且演化。它還是唯一一個擁有足夠厚的大氣層來維持液態(tài)水存在的行星，它的季節(jié)規(guī)律性更替，能長期維持穩(wěn)定，它同時也和太陽保持著剛好的距離，不會太冷也不會太熱。而這些維持生命存在的前提，或多或少都和月球有關。

?

月球在地球歷史上所扮演的角色可以追溯到約45億年前，那時候一顆與目前火星大小相近的行星與誕生不久的地球發(fā)生了碰撞，這場災難性的事件遺留下了一個熾熱的橢球形地球和一個同樣熾熱的月球。從那時候開始，月球持續(xù)冷卻，并且不斷遠離地球。隨著時間推移，月球遠離，地球因為引力作用開始變得更圓，地殼在月球潮汐力下彎曲。地殼的變形可能導致了早期板塊的出現(xiàn)。同時，月球的遠離也減慢了地球的自轉，每經(jīng)過一個世紀，就會讓地球的一天變長大約兩毫秒。

?

相對于地球來說，月球非常重，我們所處行星的質量僅是衛(wèi)星的81倍。相較于太陽系其他的行星-衛(wèi)星系統(tǒng)來說，這個比值很小。正是因為質量比值小，月球引力保證了地球的自轉軸始終相對于公轉軸保持23.5度的傾斜，這個穩(wěn)定的結構保證地球長久不變的季節(jié)更替。除此之外，地球海洋的潮汐主要是月球引起的，這種現(xiàn)象塑造了海岸線，孕育了海洋里的諸多生物。月球的潮汐力很可能在生物演化中起到了至關重要的作用，驅使植物和四足動物離開海岸邊的鹽沼登上陸地。

?

地球的衛(wèi)星——月球——塑造了我們地球的歷史，并且?guī)椭厍虺蔀樯囊司拥兀▓D為從國際空間站看到的月球）。

?

要說地球這個單一樣本的過去給我們提供了哪些啟示，那就是系外行星如果沒有衛(wèi)星將會完全不同。沒有衛(wèi)星的系外行星可能只是毫無生機的石頭，注定像火星一樣隨著時間流逝發(fā)生傾斜，時而極寒時而酷熱，大氣無法穩(wěn)定存在，生命也注定無法長久。系外衛(wèi)星如果存在，甚至其本身可能會比宿主行星更加適合生命存在。因此，想要尋找太陽系外的生命，需要關注那些更可能具有衛(wèi)星的行星，甚至是衛(wèi)星本身。

?

惠更斯不知道的是，他所發(fā)現(xiàn)的土衛(wèi)六，那顆橘紅色的星球上充斥著甲烷和乙烷的江河湖海，實在太像一顆行星了。雖然對于我們或者任何我們已知的生物來說，土衛(wèi)六都不是宜居的星球，但是它有液態(tài)的環(huán)境，同時有足夠厚的大氣層，意味著它為混合生命所需的要素提供了機會，也就是為孕育生命提供了機會。反觀其宿主行星土星，由于具有太強的引力和大團的氨氣，永遠沒法成為孕育生命的搖籃。類似的情況對于木星同樣適用，木星像是半個恒星，具有強大的輻射帶以及對地球生命來說致命的氣體層，但是它的衛(wèi)星就不一定有這樣的問題。

?

“根據(jù)對太陽系的了解，我們認為像木星這樣的行星可以有相當大的衛(wèi)星，足以擁有液態(tài)水，” 安大略省西方大學的研究生克里斯·?？怂梗–hris Fox）說道，“如果一個木星位于太陽系的宜居帶上，你可以看到一個像地球一樣的衛(wèi)星，上面還可能存在生命?；谶@個想法，同時考慮到衛(wèi)星的數(shù)量，我們推測或許衛(wèi)星上的生命會比行星上的更常見。”

?

換句話說，系外衛(wèi)星本身可能就是宜居的，同時還可能有助于讓它們的宿主行星變得宜居。因此，尋找系外衛(wèi)星將會讓我們在理解衛(wèi)星的同時，更進一步了解我們自己。

?

?

有趣的候選體

?

在開普勒空間望遠鏡開始觀測之前，天文學家就猜測整個宇宙充滿了像地球這樣的生命家園，并且它們也有自己的衛(wèi)星?，F(xiàn)在在巴黎天文臺工作的保拉·薩爾托雷蒂（Paola Sartoretti）和瓊·施奈德（Jean Schneider）在1999年首次提出，可以利用凌星法搜尋系外衛(wèi)星。

?

如果一顆恒星和它的行星排列的平面與視線方向平行——就好比你從太陽系平面的側面觀測，而不是從垂直于太陽系平面的方向觀測一樣——恒星會因為行星經(jīng)過而被遮擋了部分的光線，從而亮度周期性降低。這種類似于日食的現(xiàn)象叫做凌星。當凌星現(xiàn)象以一個固定的周期重復，我們通常就可以確定，存在一個環(huán)繞恒星運行的天體導致其亮度變暗。開普勒望遠鏡采用這種方法尋找系外行星已經(jīng)有十幾年了。

?

薩爾托雷蒂和施奈德認為，距離其宿主行星較遠的衛(wèi)星，也可以利用類似的方法探測，只要在凌星的時候，衛(wèi)星在其宿主行星的旁邊。更確切地說，如果衛(wèi)星距離宿主行星足夠遠， 恒星的變暗程度可以比僅有行星的情況暗得多，亮度甚至可以相差一倍。

?

他們還認為，縱使系外衛(wèi)星距離它們的宿主行星很近，使得二次變暗不大可能出現(xiàn)，天文學家仍然有可能通過觀察行星重復性的凌星模式隨著時間的變化，進而推斷衛(wèi)星的存在。通常來說，凌星現(xiàn)象應該類似于節(jié)拍器一樣準確地重復，但是有時它們會稍稍偏離，比科學家預想的提早或延遲一點。這種凌星時變效應往往是因其他繞宿主恒星旋轉的行星引力拖拽而產生，但是也可以由附近巨大的衛(wèi)星導致。

?

?

想要理解這一切是如何發(fā)生的，我們可以從我們自己的地月系統(tǒng)中得到不少啟示。嚴格地說，月亮并不是圍繞地球運動的，地球和月球是在繞著它們的質心旋轉。不過，地月系統(tǒng)的質心始終都在地球上，因為地球相對于月球來說還是重得多。（準確來說，地月系統(tǒng)的質心位于地幔某一處，偏離地球的中心。）因此一個很自然的結果是，地球圍繞太陽公轉的時候，會輕微地偏離公轉軌道擺動。這個擺動則是薩爾托雷蒂和施奈德企圖尋找的。

?

2017年，泰切和哥倫比亞大學的天文學家戴維·基平（David Kipping）共同篩選開普勒望遠鏡的數(shù)據(jù)，來尋找系外衛(wèi)星干擾其宿主恒星星光的蹤跡。他們分析了大約300個行星，希望能夠找到一些衛(wèi)星。最終，他們找到了一個候選者：Kelper-1625b。

?

他們申請了哈勃空間望遠鏡的觀測時間，令人驚喜的是申請被批準了。接著他們花費了將近一年的時間來研究哈勃望遠鏡的數(shù)據(jù)，其中還包括學習如何運用這些數(shù)據(jù)的時間。基平和泰切最終完成了他們的分析，哈勃望遠鏡的觀測結果表明，相比于孤立的行星-恒星模型，這顆行星的凌星時間提前，表明它的旁邊可能存在一顆衛(wèi)星。數(shù)據(jù)的分析結果顯示，行星的凌星時間每五年就會變化20分鐘?！拔覀冎赖拇_存在什么東西在擾動這顆行星，”基平說，“并且我們認為它就是這顆行星的衛(wèi)星?！?/p>

?

泰切和基平在2018年年初把他們的論文投送到了預印本網(wǎng)站，2018年10月，這篇文章最終發(fā)表在了《科學·進展》（Science Advances）雜志上。他們聲稱有證據(jù)支持存在一個海王星大小的衛(wèi)星環(huán)繞Kepler-1625b旋轉，而該行星自身大小則是木星的許多倍。泰切和基平?jīng)]有聲稱自己發(fā)現(xiàn)了太陽系外衛(wèi)星?！拔矣X得人們可能對于我們報道這個發(fā)現(xiàn)的方式很失望，”泰切說，“人們認為我們試圖通過這項發(fā)現(xiàn)博取聲望，但還給自己留了后路，因為我們并沒有完全申明這個發(fā)現(xiàn)。我理解人們失望所在——這顆衛(wèi)星到底存在嗎？但目前還有太多太多的未知因素?！?/p>

?

在泰切和基平發(fā)表自己的研究結果之后，其他天文學家也踴躍參與到這項研究中。德國馬普太陽系研究所的天文學家雷內·海勒（René Heller）重復了泰切的部分工作，但認為沒有足夠的證據(jù)支持衛(wèi)星的存在。而研究系外行星大氣的勞拉·克雷德貝格（Laura Kreidberg），同樣也沒法證明這項工作中一個關鍵的部分。

?

……

?

?

泰切和基平公布研究結果之后的幾個月里，天文界對系外衛(wèi)星的關注不斷增加。很快，就有不同的研究團隊相繼聲明找到了系外衛(wèi)星。這些可能的系外衛(wèi)星都身處何方，研究人員是怎樣找到它們的？

?

但另一方面，直到現(xiàn)在，系外衛(wèi)星的確鑿觀測證據(jù)目前仍然難以獲取。面對技術上的難題，天文學家想出了怎樣的解決方案？

?

欲知上述問題的答案，歡迎點擊雜志封面圖購買《環(huán)球科學》4月新刊，閱讀完整文章及更多精彩科學故事。


關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復【最新活動】，了解近期科普活動
回復【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復【研學營】，了解最新科普研學營
回復【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復【觀鳥知識】，學習觀鳥相關科普知識
回復【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情