发现第一颗系外卫星？别着急，还要再等等

以下文章来源于中国科普博览 ，作者haibaraemily

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近日，哥伦比亚大学天文系的Teachey团队通过哈勃望远镜的观测数据宣布他们很可能发现了一颗系外卫星，名叫开普勒1625b-i。如果最终得到确认，这将是人类发现的第一颗系外卫星。这一成果发表于10月3日的《科学·进展》杂志[1]。

不过，这其实是Teachey团队再次确认这颗可能的系外卫星的存在了，虽然这次依然没能够完全确定。这又是怎么回事呢？

   缘起：先有目标，然后去找

我们的太阳系里有恒星，环绕着恒星的有行星，环绕着行星的还有卫星。

那么太阳系以外的其他恒星系统里也有行星环绕着恒星转动吧？这是很自然的推测，也完全符合我们对太阳系中行星形成理论的认知…然后有人就去找了…然后就找到了…

1992年，人们在脉冲星PSR B1257 12周围确认发现了第一颗系外行星，1995年，人们首次在主序星周围发现了系外行星飞马座51b…之后随着观测技术的提升，尤其是开普勒望远镜的贡献，人们一发不可收拾地发现了大量系外行星——而且我们相信，远远不止这么多，只等着天文望远镜去发现更多而已。

那么和太阳系中的行星差不多大甚至更大的系外行星会不会有卫星环绕？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卫星，就像我们太阳系巨大的木星和土星有几十颗甚至更多卫星一样。但只要还没有真的发现，我们就不能确认有——但我们可以奔着这个目标去找不是？

真的有人就去找了…其中就有我们这次的主角——哥伦比亚大学天文系的Teachey团队。

 怎么找？

寻找系外行星或者卫星，有很多成熟的观测方式和方法，其中最常用的一种是凌日（掩星）法，目前为止大约80%的系外行星都是通过凌日法发现的[2]。

原理非常简单：一颗恒星自己会发光，如果没有遮挡的话这颗恒星发出的光始终都一样亮，也就是说，光变曲线是一条直线。

但有行星飞过时，会遮挡一部分恒星的光，那么在这段时间里观测到的恒星亮度会变小。当行星飞过之后，会在恒星的光变曲线里留下一个U型缺口。

小个儿的行星飞过留下小缺口，大个儿的行星飞过留下大缺口。

那如果这颗行星有卫星，应该是什么样？

如果卫星在行星后面飞过恒星，那么应该先有行星的遮挡（大缺口），

然后再有卫星的遮挡（小缺口）。

当然，如果卫星在行星之前飞过恒星，那么就会先有卫星的遮挡，后有行星的遮挡。

还有，有遮挡未必就是行星或者卫星的遮挡，其他不发光的天体也有可能，这些都需要仔细排除。

不过，这些都只是理想情况，实际上，系外行星如果个头不够大都很难被发现，那么更小的卫星就更加难以发现了。

 开普勒探测器的搜索

为了寻找可能的系外卫星，哥伦比亚大学天文系的Teachey团队在更早之前就认真检查了284个开普勒探测器发现的系外行星的观测数据。

行星猎手开普勒探测器的假想图。来源：NASA

然后，他们真的找到了三次凌日事件有符合条件的疑似信号，这是系外行星开普勒1625b飞过恒星开普勒1625时发生的凌日。这颗恒星位于距离地球约8000光年外的天鹅座方向，而环绕它的行星开普勒1625b则是一颗位于宜居带中的、木星大小的气态巨行星。

开普勒数据发现的三次开普勒1625b的凌日事件。来源：参考文献：[3]

根据这些数据，Teachey团队首次提出系外行星开普勒1625b可能有一颗卫星，他们称之为开普勒1625b-i [3] 。

值得一提的是，这其实并不是第一颗可能的系外卫星，在此之前还有三颗系外行星J1407b、WASP-12b和MOA-2011-BLG-262被认为可能有卫星。

但Teachey团队那时还不能完全确定这些“小缺口”是真实的，因为开普勒探测器的测光精度不够高，不同的数据处理方法也可能影响拟合结果。

但这个问题是可以解决的，因为我们现成就有精度更高的大杀器——哈勃空间望远镜，后者有更大的口径，光学精度优于开普勒探测器四倍。

哈勃空间望远镜的假想图。来源：NASA

 哈勃望远镜：一次“预告谋杀”

2017年10月28-29日，系外行星开普勒1625b将再次凌日（飞过恒星开普勒1625），为此，Teachey团队专程申请了40个小时的观测时间，来看看“火眼金睛”的哈勃望远镜将会看到什么。

这是一次“蓄谋已久”的观测，早在2017年Teachey团队首次宣布这颗卫星可能存在时就已经计划好了[3]。

而且昭告天下：我们要在下一次观测里解决这个问题！

宛如侦探小说里的“谋杀预告”。

这次观测如期进行并顺利完成了。

近期，Teachey团队宣布，他们对这次哈勃望远镜的观测数据进行了处理，确认在精度更高的哈勃望远镜的凌日观测中再次看到了这种“卫星可能产生的缺口”，而且经过几种不同的数据处理方式之后结果依然如此，由此他们认定，这个“缺口”确实意味着某种天文现象，而非观测或者数据处理的问题。

三种“卫星存在模型”下的拟合结果。来源：参考文献[1]

 第一颗系外卫星？目前只是其中一种可能

对于这次的光变信号，系外卫星是最简单直接，因此也是目前可能性最大的一种解释。如果确实是这种情况，那么这颗卫星将是第一颗被确认的系外卫星。

而这颗卫星虽然不至于完全打破我们对太阳系中卫星的“常识”，至少也是有点特殊的存在。

据推算，这颗系外卫星开普勒1625b-i的轨道面与行星开普勒1625b轨道面的夹角约45度，顺行或逆行都有可能。卫星如此之大的轨道倾角，这在太阳系中是非常罕见的，目前只有海卫一有过这样的情况，因此它也被认为是海王星从柯伊伯带里捕获来的。

当然，目前的估计还非常粗略，作者特意强调了，实际可能没有这么大的倾角。

海卫一的轨道（红色）和轨道倾角。来源：维基

估算结果还显示，如果真的有卫星存在，那么这颗卫星距离中心行星约40个行星半径，大小和质量都将和海王星或天王星相当，也就是说，这是一颗非常巨大的卫星。

考虑到行星开普勒1625b仅仅是一颗木星大小的行星，这意味着一颗木星大小的天体（11个地球半径）拥有一颗海王星大小的卫星（4个地球半径），这在太阳系中也非常罕见。或许只有冥王星和冥卫一，还有地球和月球，这两组选手可以与之抗衡（冥卫一的半径大约是冥王星的1/2，月球半径大约是地球的1/4），而目前认为冥卫一和月球都是由撞击形成的。

当然，我们目前对行星开普勒1625b大小的估计也是很粗略的，或许它有木星的几倍大，那么有这么大的卫星就“正常”多了。不过，虽然体积很大，但这颗卫星的质量却只有母行星的1.5%。

↓ 以木星和天王星来类比的话，目前估算的开普勒1625b和它可能的卫星的大小位置关系大概是这样的

好消息也是有的，系外行星开普勒1625b到恒星开普勒1625的距离适宜（差不多是金星到太阳的距离），很可能位于这颗恒星的宜居带上，据最新的推算，表面温度可能低至30摄氏度，非常宜人了，所以如果发现有卫星存在，那么这颗卫星也可就能位于宜居带上了。但坏消息是，开普勒1625b和卫星开普勒1625b-i很可能都是气态天体，几乎不可能适宜生命存在。

本次研究还发现，这颗恒星开普勒1625可能比太阳老得多，已经有90亿年了。这么古老的年龄意味着这个恒星系统中的天体们有足够长的时间来进行轨道演化。

但系外卫星并不是唯一可能的解释。

还有另一颗行星存在的可能性也还不能完全排除。事实上，除了亮度的降低，本次观测到的凌日时间也比预计的早发生了77.8分钟，这个现象叫做凌日时间变化（TTVs）。之所以凌日时间会有变化，是因为有另一颗天体的引力把凌日行星的运动拉快或者拖慢了，这里的“另一颗天体”可能是卫星，也完全有可能是另一颗尚未被发现的行星。事实上，对凌日时间变化的观测也是目前人们发现系外行星/卫星的一种方法。

简答来说，如果一个恒星系统中只有一颗行星，那么每次发生凌日的时间都是固定的[4]：

但如果还有另一个天体（这里以另一颗行星为例）刚好飞过附近，那么第二颗天体的引力可能会影响第一颗行星的运动，那么第一颗行星的凌日时间就会发生变化（提前或推后）。

这种来自另一颗行星的引力影响也一样可能会对凌日行星的光变曲线产生干扰，产生类似卫星的光变曲线。不过目前为止我们还没有通过其他观测数据发现这个恒星系统中有第二颗行星，所以系外卫星是最直接和简单的一种解释。

非常不幸的一点是，Teachey团队这次申请的观测时间有点短，以至于在这颗疑似卫星的凌日还没完全结束的时候，观测时间就没了…

注意看红色箭头所指的小缺口并没有完成一个U型。来源：参考文献[1]

上图中也可以清楚地看到，这颗疑似卫星产生的“小缺口”还没有完成U型…这也为此次证实卫星发现的结论打了折扣。

何况，这还只是哈勃望远镜单次观测的结果，还需要多次重复观测到才令人信服。

不过别担心，Teachey团队已经为下一次开普勒1625b的凌日（2019年5月）提出了观测申请[5]，我们可以静候佳音。

 系外卫星？新世界的翅膀

四百多年前，当伽利略第一次把望远镜朝向木星，发现了四颗伽利略卫星之前，人们不知道除了地球以外，太阳系居然还有其他行星有卫星存在。

而如今，我们不仅已经在太阳系中发现了近200颗卫星，还发现了诸多矮行星和无数的小行星。

1995年，当第一颗环绕主序星的系外行星飞马座51b被发现之前，人们不能确信太阳系以外的其他恒星也有行星环绕。

而如今，我们已经确认发现了3000多颗系外行星，还有大量尚未被发现或确认的系外行星。

曾经，我们以为太阳系是一个典型，大部分系外行星系统应该和我们的太阳系差不多。

而如今，我们发现或许太阳系只是个特例：系外行星中有大量距离中心恒星很近的热木星存在，还有各种颠覆了我们想象的奇异行星…

我们在不断地拓展未知，也在不断地挑战已知。

不管这次的新发现是否真的来自系外卫星，都不会让科学家们停止对系外卫星的搜寻。

更何况，本次哈勃与开普勒的合作还意味着：即使是开普勒数据中没有发现异常的地方，更高精度的探测依然可能会有新发现。这或许会成为接下来更高精度的望远镜们努力探测的方向之一。

詹姆斯韦伯望远镜（JWST）：喵喵喵？在叫我么？

2017年史密森尼学会的《系外行星》一书的开头把系外行星比作蝴蝶[6] ，我非常喜欢这个比喻。

当我们只在自家后院里活动的时候，可能只会看到一种蝴蝶，那时候的我们，可能以为世界上只有这么一种蝴蝶。

而当我们迈出院门，走向更广阔的天地时，我们会发现千百 种蝴蝶：大的、小的、黑白的、彩色的、带花纹的、不带花纹的、迁徙的、不迁徙的…有些和我们之前在自家后院看到的差不多，有些则差别非常大…

这时候，我们会感到震惊和惶惑，有些人会开始质疑这些其实并不是蝴蝶，而是其他动物…但只要我们不断积累经验，见识越来越多的动物，我们终会有能力证实它们、分辨它们。

或许终有一天，我们会忽然意识到，一个崭新的世界早已为我们展开了绚丽而迷人的翅膀，只是那时候的我们还没有意识到。

所以，加油向前走吧！

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参  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.you tube.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.