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近日，哥倫比亞大學天文系的Teachey團隊通過哈勃望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)宣布他們很可能發(fā)現(xiàn)了一顆系外衛(wèi)星，名叫開普勒1625b-i。如果最終得到確認，這將是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆系外衛(wèi)星。這一成果發(fā)表于10月3日的《科學·進展》雜志[1]。

不過，這其實是Teachey團隊再次確認這顆可能的系外衛(wèi)星的存在了，雖然這次依然沒能夠完全確定。這又是怎么回事呢？

緣起：先有目標，然后去找

我們的太陽系里有恒星，環(huán)繞著恒星的有行星，環(huán)繞著行星的還有衛(wèi)星。

那么太陽系以外的其他恒星系統(tǒng)里也有行星環(huán)繞著恒星轉動吧？這是很自然的推測，也完全符合我們對太陽系中行星形成理論的認知…然后有人就去找了…然后就找到了…

1992年，人們在脈沖星PSR B1257+12周圍確認發(fā)現(xiàn)了第一顆系外行星，1995年，人們首次在主序星周圍發(fā)現(xiàn)了系外行星飛馬座51b…之后隨著觀測技術的提升，尤其是開普勒望遠鏡的貢獻，人們一發(fā)不可收拾地發(fā)現(xiàn)了大量系外行星——而且我們相信，遠遠不止這么多，只等著天文望遠鏡去發(fā)現(xiàn)更多而已。

那么和太陽系中的行星差不多大甚至更大的系外行星會不會有衛(wèi)星環(huán)繞？自然也是很可能有的，而且越大的系外行星，就越可能有越大越多的衛(wèi)星，就像我們太陽系巨大的木星和土星有幾十顆甚至更多衛(wèi)星一樣。但只要還沒有真的發(fā)現(xiàn)，我們就不能確認有——但我們可以奔著這個目標去找不是？

真的有人就去找了…其中就有我們這次的主角——哥倫比亞大學天文系的Teachey團隊。

怎么找？

尋找系外行星或者衛(wèi)星，有很多成熟的觀測方式和方法，其中最常用的一種是凌日（掩星）法，目前為止大約80%的系外行星都是通過凌日法發(fā)現(xiàn)的[2]。

原理非常簡單：一顆恒星自己會發(fā)光，如果沒有遮擋的話這顆恒星發(fā)出的光始終都一樣亮，也就是說，光變曲線是一條直線。

但有行星飛過時，會遮擋一部分恒星的光，那么在這段時間里觀測到的恒星亮度會變小。當行星飛過之后，會在恒星的光變曲線里留下一個U型缺口。

小個兒的行星飛過留下小缺口，大個兒的行星飛過留下大缺口。

那如果這顆行星有衛(wèi)星，應該是什么樣？

如果衛(wèi)星在行星后面飛過恒星，那么應該先有行星的遮擋（大缺口），

然后再有衛(wèi)星的遮擋（小缺口）。

當然，如果衛(wèi)星在行星之前飛過恒星，那么就會先有衛(wèi)星的遮擋，后有行星的遮擋。

還有，有遮擋未必就是行星或者衛(wèi)星的遮擋，其他不發(fā)光的天體也有可能，這些都需要仔細排除。

不過，這些都只是理想情況，實際上，系外行星如果個頭不夠大都很難被發(fā)現(xiàn)，那么更小的衛(wèi)星就更加難以發(fā)現(xiàn)了。

開普勒探測器的搜索

為了尋找可能的系外衛(wèi)星，哥倫比亞大學天文系的Teachey團隊在更早之前就認真檢查了284個開普勒探測器發(fā)現(xiàn)的系外行星的觀測數(shù)據(jù)。

行星獵手開普勒探測器的假想圖。來源：NASA

然后，他們真的找到了三次凌日事件有符合條件的疑似信號，這是系外行星開普勒1625b飛過恒星開普勒1625時發(fā)生的凌日。這顆恒星位于距離地球約8000光年外的天鵝座方向，而環(huán)繞它的行星開普勒1625b則是一顆位于宜居帶中的、木星大小的氣態(tài)巨行星。

開普勒數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的三次開普勒1625b的凌日事件。來源：參考文獻：[3]

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，Teachey團隊首次提出系外行星開普勒1625b可能有一顆衛(wèi)星，他們稱之為開普勒1625b-i?[3] 。

值得一提的是，這其實并不是第一顆可能的系外衛(wèi)星，在此之前還有三顆系外行星J1407b、WASP-12b和MOA-2011-BLG-262被認為可能有衛(wèi)星。

但Teachey團隊那時還不能完全確定這些“小缺口”是真實的，因為開普勒探測器的測光精度不夠高，不同的數(shù)據(jù)處理方法也可能影響擬合結果。

但這個問題是可以解決的，因為我們現(xiàn)成就有精度更高的大殺器——哈勃空間望遠鏡，后者有更大的口徑，光學精度優(yōu)于開普勒探測器四倍。

哈勃空間望遠鏡的假想圖。來源：NASA

哈勃望遠鏡：一次“預告謀殺”

2017年10月28-29日，系外行星開普勒1625b將再次凌日（飛過恒星開普勒1625），為此，Teachey團隊專程申請了40個小時的觀測時間，來看看“火眼金睛”的哈勃望遠鏡將會看到什么。

這是一次“蓄謀已久”的觀測，早在2017年Teachey團隊首次宣布這顆衛(wèi)星可能存在時就已經(jīng)計劃好了[3]。

而且昭告天下：我們要在下一次觀測里解決這個問題！

宛如偵探小說里的“謀殺預告”。

這次觀測如期進行并順利完成了。

近期，Teachey團隊宣布，他們對這次哈勃望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)進行了處理，確認在精度更高的哈勃望遠鏡的凌日觀測中再次看到了這種“衛(wèi)星可能產(chǎn)生的缺口”，而且經(jīng)過幾種不同的數(shù)據(jù)處理方式之后結果依然如此，由此他們認定，這個“缺口”確實意味著某種天文現(xiàn)象，而非觀測或者數(shù)據(jù)處理的問題。

三種“衛(wèi)星存在模型”下的擬合結果。來源：參考文獻[1]

第一顆系外衛(wèi)星？目前只是其中一種可能

對于這次的光變信號，系外衛(wèi)星是最簡單直接，因此也是目前可能性最大的一種解釋。如果確實是這種情況，那么這顆衛(wèi)星將是第一顆被確認的系外衛(wèi)星。

而這顆衛(wèi)星雖然不至于完全打破我們對太陽系中衛(wèi)星的“常識”，至少也是有點特殊的存在。

據(jù)推算，這顆系外衛(wèi)星開普勒1625b-i的軌道面與行星開普勒1625b軌道面的夾角約45度，順行或逆行都有可能。衛(wèi)星如此之大的軌道傾角，這在太陽系中是非常罕見的，目前只有海衛(wèi)一有過這樣的情況，因此它也被認為是海王星從柯伊伯帶里捕獲來的。

當然，目前的估計還非常粗略，作者特意強調了，實際可能沒有這么大的傾角。

海衛(wèi)一的軌道（紅色）和軌道傾角。來源：維基

估算結果還顯示，如果真的有衛(wèi)星存在，那么這顆衛(wèi)星距離中心行星約40個行星半徑，大小和質量都將和海王星或天王星相當，也就是說，這是一顆非常巨大的衛(wèi)星。

考慮到行星開普勒1625b僅僅是一顆木星大小的行星，這意味著一顆木星大小的天體（11個地球半徑）擁有一顆海王星大小的衛(wèi)星（4個地球半徑），這在太陽系中也非常罕見。或許只有冥王星和冥衛(wèi)一，還有地球和月球，這兩組選手可以與之抗衡（冥衛(wèi)一的半徑大約是冥王星的1/2，月球半徑大約是地球的1/4），而目前認為冥衛(wèi)一和月球都是由撞擊形成的。

當然，我們目前對行星開普勒1625b大小的估計也是很粗略的，或許它有木星的幾倍大，那么有這么大的衛(wèi)星就“正常”多了。不過，雖然體積很大，但這顆衛(wèi)星的質量卻只有母行星的1.5%。

↓ 以木星和天王星來類比的話，目前估算的開普勒1625b和它可能的衛(wèi)星的大小位置關系大概是這樣的

好消息也是有的，系外行星開普勒1625b到恒星開普勒1625的距離適宜（差不多是金星到太陽的距離），很可能位于這顆恒星的宜居帶上，據(jù)最新的推算，表面溫度可能低至30攝氏度，非常宜人了，所以如果發(fā)現(xiàn)有衛(wèi)星存在，那么這顆衛(wèi)星也可就能位于宜居帶上了。但壞消息是，開普勒1625b和衛(wèi)星開普勒1625b-i很可能都是氣態(tài)天體，幾乎不可能適宜生命存在。

本次研究還發(fā)現(xiàn)，這顆恒星開普勒1625可能比太陽老得多，已經(jīng)有90億年了。這么古老的年齡意味著這個恒星系統(tǒng)中的天體們有足夠長的時間來進行軌道演化。

但系外衛(wèi)星并不是唯一可能的解釋。

還有另一顆行星存在的可能性也還不能完全排除。事實上，除了亮度的降低，本次觀測到的凌日時間也比預計的早發(fā)生了77.8分鐘，這個現(xiàn)象叫做凌日時間變化（TTVs）。之所以凌日時間會有變化，是因為有另一顆天體的引力把凌日行星的運動拉快或者拖慢了，這里的“另一顆天體”可能是衛(wèi)星，也完全有可能是另一顆尚未被發(fā)現(xiàn)的行星。事實上，對凌日時間變化的觀測也是目前人們發(fā)現(xiàn)系外行星/衛(wèi)星的一種方法。

簡答來說，如果一個恒星系統(tǒng)中只有一顆行星，那么每次發(fā)生凌日的時間都是固定的[4]：

但如果還有另一個天體（這里以另一顆行星為例）剛好飛過附近，那么第二顆天體的引力可能會影響第一顆行星的運動，那么第一顆行星的凌日時間就會發(fā)生變化（提前或推后）。

這種來自另一顆行星的引力影響也一樣可能會對凌日行星的光變曲線產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生類似衛(wèi)星的光變曲線。不過目前為止我們還沒有通過其他觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)這個恒星系統(tǒng)中有第二顆行星，所以系外衛(wèi)星是最直接和簡單的一種解釋。

非常不幸的一點是，Teachey團隊這次申請的觀測時間有點短，以至于在這顆疑似衛(wèi)星的凌日還沒完全結束的時候，觀測時間就沒了…

注意看紅色箭頭所指的小缺口并沒有完成一個U型。來源：參考文獻[1]

上圖中也可以清楚地看到，這顆疑似衛(wèi)星產(chǎn)生的“小缺口”還沒有完成U型…這也為此次證實衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的結論打了折扣。

何況，這還只是哈勃望遠鏡單次觀測的結果，還需要多次重復觀測到才令人信服。

不過別擔心，Teachey團隊已經(jīng)為下一次開普勒1625b的凌日（2019年5月）提出了觀測申請[5]，我們可以靜候佳音。

系外衛(wèi)星？新世界的翅膀

四百多年前，當伽利略第一次把望遠鏡朝向木星，發(fā)現(xiàn)了四顆伽利略衛(wèi)星之前，人們不知道除了地球以外，太陽系居然還有其他行星有衛(wèi)星存在。

而如今，我們不僅已經(jīng)在太陽系中發(fā)現(xiàn)了近200顆衛(wèi)星，還發(fā)現(xiàn)了諸多矮行星和無數(shù)的小行星。

1995年，當?shù)谝活w環(huán)繞主序星的系外行星飛馬座51b被發(fā)現(xiàn)之前，人們不能確信太陽系以外的其他恒星也有行星環(huán)繞。

而如今，我們已經(jīng)確認發(fā)現(xiàn)了3000多顆系外行星，還有大量尚未被發(fā)現(xiàn)或確認的系外行星。

曾經(jīng)，我們以為太陽系是一個典型，大部分系外行星系統(tǒng)應該和我們的太陽系差不多。

而如今，我們發(fā)現(xiàn)或許太陽系只是個特例：系外行星中有大量距離中心恒星很近的熱木星存在，還有各種顛覆了我們想象的奇異行星…

我們在不斷地拓展未知，也在不斷地挑戰(zhàn)已知。

不管這次的新發(fā)現(xiàn)是否真的來自系外衛(wèi)星，都不會讓科學家們停止對系外衛(wèi)星的搜尋。

更何況，本次哈勃與開普勒的合作還意味著：即使是開普勒數(shù)據(jù)中沒有發(fā)現(xiàn)異常的地方，更高精度的探測依然可能會有新發(fā)現(xiàn)。這或許會成為接下來更高精度的望遠鏡們努力探測的方向之一。

詹姆斯韋伯望遠鏡（JWST）：喵喵喵？在叫我么？

2017年史密森尼學會的《系外行星》一書的開頭把系外行星比作蝴蝶[6] ，我非常喜歡這個比喻。

當我們只在自家后院里活動的時候，可能只會看到一種蝴蝶，那時候的我們，可能以為世界上只有這么一種蝴蝶。

而當我們邁出院門，走向更廣闊的天地時，我們會發(fā)現(xiàn)千百 種蝴蝶：大的、小的、黑白的、彩色的、帶花紋的、不帶花紋的、遷徙的、不遷徙的…有些和我們之前在自家后院看到的差不多，有些則差別非常大…

這時候，我們會感到震驚和惶惑，有些人會開始質疑這些其實并不是蝴蝶，而是其他動物…但只要我們不斷積累經(jīng)驗，見識越來越多的動物，我們終會有能力證實它們、分辨它們。

或許終有一天，我們會忽然意識到，一個嶄新的世界早已為我們展開了絢麗而迷人的翅膀，只是那時候的我們還沒有意識到。

所以，加油向前走吧！

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參 考

[1] Teachey, Alex; et al. (2018). "Evidence for a large exomoon orbiting Kepler-1625b". Science Advances. 4 (10). doi:10.1126/sciadv.aav1784

[2] https://exoplanets.nasa.gov/5-ways-to-find-a-planet/

[3] Teachey, Alex, David M. Kipping, and Allan R. Schmitt. "HEK. VI. On the Dearth of Galilean Analogs in Kepler, and the Exomoon Candidate Kepler-1625b I." The Astronomical Journal 155.1 (2017): 36.

[4] https://www.youtube.com/watch?v=rqQ1xKsNIQE

[5] Nature News | Suspected first exomoon comes into tantalizing focus

https://www.nature.com/articles/d41586-018-06918-9

[6] Summers, Michael E., and James Trefil.Exoplanets: Diamond Worlds, Super Earths, Pulsar Planets, and the New Search for Life Beyond Our Solar System. Smithsonian Institution, 2017.