北京時間 1 月 20 日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，在過去 30 年間，系外行星領(lǐng)域的研究可謂一路突飛猛進(jìn)。到目前為止，共有 3677 個行星系中的 4903 顆系外行星已得到證實(shí)，還有 8414 顆尚待確認(rèn)。這些行星十分豐富多樣，從“超級木星”到“超級地球”、再到“迷你海王星”和“水世界”，都為我們拋出了許多與行星形成和演化相關(guān)的問題。其中有一個問題尤為重要：天然衛(wèi)星、或者說“系外衛(wèi)星”究竟扮演了什么角色？它們之間又有哪些共通之處？
▲ NASA 開普勒望遠(yuǎn)鏡的概念圖
考慮到太陽系中衛(wèi)星的數(shù)量，我們完全可以據(jù)此推斷，衛(wèi)星在銀河系中無處不在。然而，雖然已知的系外行星已多達(dá)上千顆，但至今沒有經(jīng)過證實(shí)的系外衛(wèi)星供我們研究。不過在哥倫比亞大學(xué)教授大衛(wèi)?基平、以及一支國際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)的努力下，這種局面或?qū)⒏淖儭Ｔ诮谝豁?xiàng)由 NASA 支持的研究中，基平和同事們報(bào)告了他們在分析開普勒太空望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)的一顆疑似系外衛(wèi)星。
該研究團(tuán)隊(duì)成員來自加州理工學(xué)院 NASA 系外行星科學(xué)研究所、NASA 艾姆斯研究中心、麻省理工學(xué)院卡弗里天體物理學(xué)與太空研究所、加州大學(xué)洛杉磯分校莫尼?布米克理論物理研究所、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院粒子物理與天體物理研究所、以及臺北中央研究院天文學(xué)及天體物理學(xué)研究所。
▲ 藝術(shù)家想象中的一顆宜居衛(wèi)星。
基平教授由于在系外行星領(lǐng)域所做的開創(chuàng)性研究聞名海外。多年來，他和同事們一直在探索對系外行星開展研究和性質(zhì)描述的方法。此外，基平教授還是“開普勒系外衛(wèi)星搜索項(xiàng)目”的首席研究員。該項(xiàng)目與哈佛大學(xué)史密森尼天體物理中心聯(lián)辦，致力于在開普勒任務(wù)收集的數(shù)據(jù)中找到系外衛(wèi)星存在的證據(jù)。基平在一封郵件中寫道：
“天文學(xué)家一般分為兩類，一類想弄清宇宙的運(yùn)作原理，另一類則想知道是否存在外星生命。而系外衛(wèi)星對這兩類天文學(xué)家都很重要。對前者而言，系外行星能為我們舉例說明，宇宙中其它地點(diǎn)的衛(wèi)星會以何種形式存在。例如，每當(dāng)我們仰望月球時，都忍不住思考，它的形成究竟是億萬分之一的運(yùn)氣使然，還是行星形成過程中的必然結(jié)果。”
“對后者而言，衛(wèi)星有可能成為生命的家園，這也是科幻小說的常見題材。既然 NASA 的首要目標(biāo)之一是了解類地天體的普遍性，尋找衛(wèi)星自然是其中的必要一環(huán)。事實(shí)上，就我們所知，宇宙中大部分的宜居環(huán)境也許都位于衛(wèi)星上?！?/p>
月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，其形成和演變與地球本身緊密相關(guān)。根據(jù)“大碰撞說”，大約 45 億年前，一顆火星大小的天體（名叫“忒伊亞”）撞上了原始地球，由此形成了如今的地球和月球。此外還有一些科學(xué)家推測，這次劇烈撞擊或許正是地球現(xiàn)在如此宜居的原因。還有一種理論認(rèn)為，月球有助于維持地球內(nèi)部物質(zhì)的流動，由此產(chǎn)生的磁場可以保護(hù)我們不受太空輻射傷害。出于以上原因，基平和同事們對系外行星系展開了研究，尋找探測系外衛(wèi)星的途徑。他們采用的方法之一叫做“凌日時間變分法（簡稱 TTV）”，將系外行星出現(xiàn)的引力波動解讀為衛(wèi)星造成的影響。另一種方法是通過凌日光度測定法，尋找正在經(jīng)歷凌日過程的系外衛(wèi)星。
2017 年，基平與開普勒系外衛(wèi)星搜索項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了目前為止最有希望的系外衛(wèi)星“候選人”：開普勒-1625b-i。通過開普勒望遠(yuǎn)鏡的凌日法測定結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了距地球 8000 光年之外、一顆海王星大小的系外衛(wèi)星（或者雙行星）圍繞一顆類似太陽的恒星旋轉(zhuǎn)的證據(jù)。一年后，他們又發(fā)布了由哈勃望遠(yuǎn)鏡收集的新證據(jù)，進(jìn)一步佐證了之前的發(fā)現(xiàn)。由于系外衛(wèi)星探測難度很大，開普勒-1625b-i 至今仍是唯一的疑似系外衛(wèi)星。如基平所說：
“系外衛(wèi)星的探測頗具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈円话惚刃行切?，所以很難發(fā)現(xiàn)；它們的信號也容易與行星凌日信號混在一起、難以區(qū)分。尋找系外衛(wèi)星的方法有很多很多。但從簡潔性的角度考慮，凌日法應(yīng)該是最有效的方法，在系外行星的尋找中取得了很大成功。而且凌日現(xiàn)象是重復(fù)性事件，讓我們有機(jī)會對假說進(jìn)行驗(yàn)證。”
▲ 藝術(shù)家想象中、從一顆圍繞三恒星系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的行星的衛(wèi)星上所見的情景。
如上文所述，天然衛(wèi)星在太陽系中的氣態(tài) / 冰質(zhì)巨行星周圍十分常見。這些行星的軌道全都在冰凍線之外，因此“比較寒冷”（與熾熱的木星和海王星相比）。對于氣態(tài)和冰質(zhì)的系外巨行星來說，或許也是同理。受此啟發(fā)，基平和同事們對開普勒望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢索，尋找系外衛(wèi)星與其圍繞的行星共同經(jīng)歷凌日的跡象。
“據(jù)我們推測，像木星那樣熾熱的行星周圍有衛(wèi)星的可能性不大，因?yàn)椴贿m合衛(wèi)星‘存活’。我們認(rèn)為寒冷的巨行星是最佳搜尋目標(biāo)，但也只是猜測而已?！?/p>
為進(jìn)一步驗(yàn)證這一假說，基平和同事們對開普勒望遠(yuǎn)鏡收集的寒冷氣態(tài)巨行星的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。這些行星體積約為木星兩倍大，軌道周期在 400 天以上。在排除了凌日次數(shù)不足兩次（以及結(jié)果疑似假陽性）的天體后，他們總共篩出了 73 顆系外行星，作為考察樣本。接著，他們在“行星 + 衛(wèi)星”和“只有行星”的模型基礎(chǔ)上、對這些樣本展開了分析，判斷在何種情況下，出現(xiàn)“行星 + 衛(wèi)星”的可能性最大。最終他們認(rèn)為，開普勒-1708b 是最有希望的“候選人”。
“這是唯一一顆通過了我們能想到的所有檢驗(yàn)的天體?！被街赋?，“最好的解釋就是，它發(fā)出的是凌日信號，最適用的天體物理模型也是‘行星 + 衛(wèi)星’模型。在開展了大量測試后，我們找不到任何理由淘汰這一假說?！?/p>
當(dāng)然，這項(xiàng)研究仍處于初期階段?；胶屯聜円渤姓J(rèn)，尋找探測方法和精進(jìn)技術(shù)都需要一定時間?！拔蚁嘈盼覀兛梢詮囊呀?jīng)取得的這些成功出發(fā)，最終找到體積更小的衛(wèi)星。到時候，我們也許不會對它們的性質(zhì)感到猶疑不定，因?yàn)樗鼈兛赡芘c太陽系中的衛(wèi)星有許多相似之處。”
此外，隨著詹姆斯?韋伯和南希?格雷斯?羅曼等新一代太空望遠(yuǎn)鏡的問世，對系外行星和系外衛(wèi)星的研究將從中受益良多。如今詹姆斯?韋伯望遠(yuǎn)鏡終于升空，鏡面和防熱罩也已部署完成，天文學(xué)家預(yù)計(jì)它在六個月之內(nèi)便可開始拍攝工作。與此同時，極大望遠(yuǎn)鏡、大麥哲倫望遠(yuǎn)鏡等地面望遠(yuǎn)鏡也將把系外衛(wèi)星的搜索范圍進(jìn)一步縮小。
利用其巨大的主反射鏡、分光儀、日冕觀測儀、以及自適應(yīng)光學(xué)儀器，這些觀測站將對系外行星展開直接成像研究。在它們的幫助下，我們也許可以找到發(fā)現(xiàn)離恒星較近的小型巖質(zhì)類地行星，或許還能發(fā)現(xiàn)圍繞其旋轉(zhuǎn)的系外衛(wèi)星在光譜中留下的蛛絲馬跡。
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