地球生命的演化離不開月球，對于系外行星來說也很可能如此，系外衛(wèi)星甚至比行星本身更可能誕生生命。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。
我們將看到：借助不斷升級的望遠(yuǎn)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(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）親自搭建起了一臺折射式望遠(yuǎn)鏡，并將其對準(zhǔn)土星。他認(rèn)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(jì)末，人類所知的行星還僅是包括地球在內(nèi)，沐浴著太陽光芒的8顆系內(nèi)行星。不過，從上世紀(jì)90年代開始，人類對行星的認(rèn)識有了變化，當(dāng)時天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽系外行星。而到2009年，當(dāng)開普勒空間望遠(yuǎn)鏡將它的鏡頭對準(zhǔn)宇宙深處時，過去的認(rèn)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(yuǎn)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(biāo)。
21世紀(jì)初期，當(dāng)天文學(xué)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(zhǔn)確定位一顆太陽系外行星的衛(wèi)星，將會是我們認(rèn)識宇宙的又一塊里程碑。通過這項工作，我們將會確認(rèn)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?。凰鼈兪峭ǔ０殡S著母體行星形成，還是在行星形成之后的一次災(zāi)難性事件中誕生；這些衛(wèi)星是結(jié)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?！?/span>
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(nèi)，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(nèi)部活動塑造了表面的行星——板塊構(gòu)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(guān)。
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(zāi)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(yuǎn)離地球。隨著時間推移，月球遠(yuǎn)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(dǎo)致了早期板塊的出現(xiàn)。同時，月球的遠(yuǎn)離也減慢了地球的自轉(zhuǎn)，每經(jīng)過一個世紀(jì)，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(zhì)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(zhì)量比值小，月球引力保證了地球的自轉(zhuǎn)軸始終相對于公轉(zhuǎn)軸保持23.5度的傾斜，這個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)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(guān)重要的作用，驅(qū)使植物和四足動物離開海岸邊的鹽沼登上陸地。
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(jī)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(guān)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(jī)會，也就是為孕育生命提供了機(jī)會。反觀其宿主行星土星，由于具有太強(qiáng)的引力和大團(tuán)的氨氣，永遠(yuǎn)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(qiáng)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。#p#分頁標(biāo)題#e#
“根據(jù)對太陽系的了解，我們認(rèn)為像木星這樣的行星可以有相當(dāng)大的衛(wèi)星，足以擁有液態(tài)水，” 安大略省西方大學(xué)的研究生克里斯·福克斯（Chris 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?！?/span>
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(jìn)一步了解我們自己。
有趣的候選體
在開普勒空間望遠(yuǎn)鏡開始觀測之前，天文學(xué)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。現(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(cè)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(dāng)凌星現(xiàn)象以一個固定的周期重復(fù)，我們通常就可以確定，存在一個環(huán)繞恒星運(yùn)行的天體導(dǎo)致其亮度變暗。開普勒望遠(yuǎn)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(rèn)為，距離其宿主行星較遠(yuǎn)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(yuǎn)， 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(rèn)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(xué)家仍然有可能通過觀察行星重復(fù)性的凌星模式隨著時間的變化，進(jìn)而推斷衛(wèi)星的存在。通常來說，凌星現(xiàn)象應(yīng)該類似于節(jié)拍器一樣準(zhǔn)確地重復(fù)，但是有時它們會稍稍偏離，比科學(xué)家預(yù)想的提早或延遲一點。這種凌星時變效應(yīng)往往是因其他繞宿主恒星旋轉(zhuǎn)的行星引力拖拽而產(chǎn)生，但是也可以由附近巨大的衛(wèi)星導(dǎo)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(yán)格地說，月亮并不是圍繞地球運(yùn)動的，地球和月球是在繞著它們的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)。不過，地月系統(tǒng)的質(zhì)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(zhǔn)確來說，地月系統(tǒng)的質(zhì)心位于地幔某一處，偏離地球的中心。）因此一個很自然的結(jié)果是，地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的時候，會輕微地偏離公轉(zhuǎn)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(xué)的天文學(xué)家戴維·基平（David Kipping）共同篩選開普勒望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的觀測時間，令人驚喜的是申請被批準(zhǔn)了。接著他們花費(fèi)了將近一年的時間來研究哈勃望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，其中還包括學(xué)習(xí)如何運(yùn)用這些數(shù)據(jù)的時間?；胶吞┣凶罱K完成了他們的分析，哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)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(jié)果顯示，行星的凌星時間每五年就會變化20分鐘。“我們知道的確存在什么東西在擾動這顆行星，”基平說，“并且我們認(rèn)為它就是這顆行星的衛(wèi)星?！?/span>
泰切和基平在2018年年初把他們的論文投送到了預(yù)印本網(wǎng)站，2018年10月，這篇文章最終發(fā)表在了《科學(xué)·進(jìn)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(zhuǎn)，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(rèn)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。”
在泰切和基平發(fā)表自己的研究結(jié)果之后，其他天文學(xué)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(xué)家雷內(nèi)·海勒（René Heller）重復(fù)了泰切的部分工作，但認(rèn)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(guān)鍵的部分。
……
泰切和基平公布研究結(jié)果之后的幾個月里，天文界對系外衛(wèi)星的關(guān)注不斷增加。很快，就有不同的研究團(tuán)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？
#p#分頁標(biāo)題#e#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(shù)上的難題，天文學(xué)家想出了怎樣的解決方案？