我們現在已經知道數千顆行星圍繞其他恆星執行。很可能，還有數千億顆行星將銀河系稱為家園。許多已知的“系外行星”是巨大的氣體世界，如木星或海王星——對生命來說是充滿敵意的地方。但像我們太陽系的那些巨行星一樣，遙遠的系外行星也可能擁有大型衛星。如果它們確實有衛星，那麼衛星——而不是行星——可能是宇宙中最常見的生命家園。
近年來，搜尋系外行星衛星（系外衛星）的前沿陣地之一是哈佛-史密森天體物理學中心的地下室，在一間陰暗的房間裡，房間裡排列著裝在金屬網籠中的計算機。英國天文學家大衛·基平提高嗓門蓋過冷卻風扇的機械嗡嗡聲，他指出，幾乎所有這些計算能力目前都用於分析一顆行星，即開普勒-22b，它圍繞一顆類似太陽的恆星執行，距離地球約 600 光年。這個遙遠的世界以美國宇航局的行星獵手開普勒太空望遠鏡命名，正是它首次發現了這顆行星。基平希望，在更仔細的檢查中，最初揭示開普勒-22b 存在的資料也可能洩露衛星伴星的更微妙訊號。他稱他的專案為開普勒系外衛星搜尋計劃，或 HEK。
基平的專案可以說是當今最先進的系外衛星搜尋計劃。基平說，之所以需要強大的計算能力，是因為即使是最大的系外衛星也只會在資料中留下微弱的訊號。因此，他只在精心挑選的目標子集中密集搜尋系外衛星的證據。他可能找不到像快速搜尋大量目標那樣多的系外衛星，但“我不確定我會相信那些結果，”他說。“我們的目標是獲得清晰、可靠的探測結果，讓每個人都能認同。”
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
他有理由保持謹慎。任何關於發現系外衛星的宣告都將引起爭議，不僅因為這項工作很困難，而且因為這一發現可能具有深遠的意義。例如，基平解釋說，開普勒-22b 位於其恆星的宜居帶，即液態水可能存在的區域。這顆行星非常大，很可能是一個不適宜居住的、氣體籠罩的球體，而不是像地球這樣的岩石、類地世界。然而，如果開普勒-22b 有一顆巨大的衛星伴星，那麼這顆衛星可能是一個宜居的好地方，並且可能是未來天文搜尋地外生命和智慧的目標。
“衛星可能是宜居的，”他說。“如果這是真的，那麼那裡存在生命的機會比任何人之前意識到的都要多得多。”
製造衛星
許多天文學家（以及科幻小說作家）長期以來一直認為，其他行星系統會像我們自己的行星系統一樣，有大量的冰衛星圍繞寒冷、巨大的世界執行，類似於我們在木星和土星周圍看到的排列。然而，隨著 20 世紀 90 年代首次發現系外行星，新的可能性出現了；行星獵手開始發現氣態巨行星，這些行星在外部黑暗中形成後，不知何故遷移到更近、更熱的恆星軌道上。有些甚至佔據了恆星的宜居帶。這種定位提出了一個問題：那些溫暖的巨行星周圍的一些衛星是否可能具有岩石成分、保護性大氣層和像地球一樣的海洋？
賓夕法尼亞州立大學的三位研究人員——達倫·威廉姆斯、吉姆·卡斯廷和理查德·韋德——是第一個詳細研究系外衛星擁有類似地球環境的可行性的人。他們於 1997 年在《自然》雜誌上發表的研究詢問，一顆宜居帶衛星必須有多大才能維持大量的大氣層和地表液態水。“我們發現，小於火星的衛星，大約是地球質量的十分之一，無法將大氣層保持超過數百萬年，”威廉姆斯說。低於該閾值，衛星將不會產生足夠的引力來維持大量的大氣層。這種太小的衛星的大氣層會在附近恆星的輻射中沸騰蒸發。
問題是，像類地行星一樣大的衛星似乎不太容易建造。天文學家認為，大多數衛星的形成方式與行星的形成方式大致相同——逐漸從旋轉的氣體、冰和塵埃盤中凝聚而成 [見下圖]。大多數關於這種逐塊式月球組裝的計算機模擬都難以產生比木星的木衛三更大的東西，木衛三是我們太陽系設法制造的最大衛星。根據 1997 年的研究，這樣的衛星需要增大四到五倍才能保持永久性大氣層。
圖片來源：Ron Miller
幸運的是，大自然已經設計出其他製造大型衛星的方法。例如，地球的衛星太大了，無法與我們的行星一起從共享的氣體和塵埃盤中靜止地形成。許多天文學家認為，相反，我們的地月系統是在我們太陽系早期的一場災難性碰撞中形成的。冥王星及其最大的衛星卡戎被認為是另一對碰撞形成的組合，儘管規模小得多。這些組合可以解釋其他型別的衛星。在所謂的雙星交換反應中，一顆巨行星遇到一對雙星，捕獲其中一顆作為衛星，而另一顆成員被拋入太空。這種交換在我們太陽系中至少發生過一次：海王星最大的衛星海衛一的軌道很奇怪，它以與巨行星自轉相反的方向移動。天文學家認為海衛一是海王星很久以前撕裂的一對雙星的殘留物。
這些大型衛星即使圍繞位於恆星宜居帶之外的行星執行，也可能支援液態水——從而支援生命。額外的熱量可能來自宿主行星反射的光和發出的熱，以及行星的引力。正如月球在地球海洋中引起潮汐一樣，氣態巨行星的引力拖曳可能會將潮汐能傳遞到附近的衛星，使衛星內部彎曲並充滿摩擦熱。這種效應類似於透過在手中來回彎曲金屬回形針來加熱它。事實上，根據德國哥廷根馬克斯·普朗克太陽系研究所的勒內·海勒和華盛頓大學的羅裡·巴恩斯的研究，如果一顆衛星離它的氣態巨行星太近，它可能會經歷如此多的潮汐加熱，以至於它的大氣層沸騰蒸發或融化成一個發光的爐渣球。在更寬的衛星軌道上，適量的潮汐加熱可以使衛星保持舒適的溫暖，即使行星遠離恆星的溫暖光線。
潮汐力也可能改變衛星的軌道，使其永遠只向宿主行星展示一個半球，就像月球對地球所做的那樣。海勒說，想象一下這種潮汐鎖定的世界的夜空，會產生一幅非常奇怪的景象。“例如，想象一下站在潮汐鎖定衛星的面向行星的半球，”他說。“行星會非常巨大，並且不會在天空中移動。在衛星的‘中午’，這對應於其軌道上恆星在天空中最高的點，恆星會經過行星後面，並且不會有來自行星的反射光。您會看到周圍的星星，但只有頭頂正上方的黑色圓盤。在‘午夜’，當衛星的軌道將恆星帶到您腳下時，行星被照亮的面會從新月形變為會聚成一個完整的圓形，並且您會獲得所有反射光。因此，在午夜，您的天空會比中午亮得多。”
搜尋策略
理論上，足夠大的衛星可以保持大氣層，這應該在開普勒衛星的資料中可見。自 2009 年發射到 2013 年陀螺儀問題縮短任務以來，開普勒一直不停地凝視著天空中的一塊區域，持續監測超過 150,000 顆目標恆星的亮度。它透過探測凌星來搜尋行星：當行星穿過其太陽表面時，投向我們太陽系的陰影。每次凌星都表現為恆星“光變曲線”中的一個明顯的、重複出現的下降，即其亮度隨時間變化的圖。
開普勒在其主要任務中發現的最小行星開普勒-37b 非常小——僅略大於地球的衛星。基平認為，如果開普勒能夠找到衛星大小的行星，那麼它也應該能夠找到行星大小的衛星。
然而，儘管基平正在梳理開普勒的資料以尋找它們的跡象，但他既不是開普勒團隊的成員，他的專案也不隸屬於美國宇航局的任務。事實上，任何人都可以做他正在做的事情：開普勒資料是公開可用的。天文學家和業餘愛好者都已經透過篩選大量資料集發現了新的行星。基平的平民方法也延伸到了資金籌集——他在一個眾籌網站上籌集了 12,000 美元購買 CPU，然後用它們建造了邁克爾·多茲計算設施，以最慷慨的捐贈者命名。
基平的搜尋策略建立在引力相互作用的反直覺怪癖之上：從某種意義上說，衛星圍繞行星執行，但行星也圍繞衛星執行。更嚴格地說，行星和衛星實際上圍繞一個共同的質心執行，因此當衛星圍繞行星旋轉時，行星會來回擺動。
想象一下，您正在觀察一個遙遠的衛星-行星系統。如果衛星擺動到行星的右側，則行星（圍繞相同的質心執行）將向左移動一點。現在想象一下，衛星-行星系統從左向右凌星穿過恆星表面。行星將位於它在沒有衛星伴星情況下的位置的左側。這種向左的偏移，在從左向右移動的行星中，可能會將凌星的開始時間延遲幾分鐘。在同一系統的下一次凌星中，衛星可能在其軌道的另一側，稍微將行星的位置向右移動，並使行星的凌星提前幾分鐘。
除了這些凌星開始時間的偏移之外，環繞衛星還可以改變凌星的總持續時間。在多個軌道上展開，這種凌星屬性波動的來回時間華爾茲舞是系外衛星的預期名片。
除了這些時間效應之外，足夠大的衛星可能會阻擋恆星的光線，在其自身微小的下降中新增到凌星行星的訊號中。行星-衛星的組合下降看起來很像普通行星的訊號，只是偶爾衛星會直接從行星前面或後面經過。被遮蔽的衛星-行星系統不會阻擋那麼多光線。天文學家可以使用這種變化來推斷隱藏衛星的存在。
然而，搜尋這些微妙效應中的任何一個都面臨挑戰。來自凌星系外衛星的微小星光下降很可能也是由更平凡的現象引起的。到目前為止，光變曲線的每一次調製都可以最好地用簡單的東西來解釋，例如恆星黑子、恆星波動和儀器誤差。
更糟糕的是，單個時間簽名可能由各種可能的行星-衛星排列產生，這些排列在衛星的大小及其軌道的週期和傾角等細節上有所不同。這種固有的不確定性使得僅透過時間很難描述任何給定的系外衛星。
然而，如果天文學家設法透過時間效應以及衛星在光變曲線中的下降來確定行星-衛星系統的軌道配置，他們就可以建立系統衛星、行星和恆星的質量。透過將這些質量與基於行星或衛星阻擋多少星光的大小估計值配對，天文學家可以推斷每個物體的密度，從而建立一個瞭解行星及其衛星的組成、形成歷史和潛在宜居性的視窗。透過仔細審查任何給定系統的凌星後的凌星，甚至更多微弱的細節都可以從那些星光波動中凝聚出來。
“令人驚歎的是，光變曲線中可以包含多少資訊，”基平沉思道。“抬頭看著星星，這些夜空中閃爍的光點，並知道我們能夠進行這種簡單的亮度測量，並將其轉化為所有這些更復雜的資訊，真是令人難以置信地滿足。”在我們談話兩年後，基平搬到了哥倫比亞大學，繼續他的系外衛星搜尋。
為了梳理出圍繞任何特定凌星行星執行的衛星的存在，基平的 HEK 專案首先做出猜測。如果一顆衛星圍繞這顆特定的行星執行，光變曲線會是什麼樣子？HEK 演算法從假設的虛擬行星-衛星系統中生成大量人工光變曲線，這些系統具有廣泛的質量、半徑和軌道差異。接下來，它在開普勒資料中搜索匹配項，逐漸逼近任何統計上合理的衛星訊號。這種詳盡的試錯過程是 HEK 需要如此多計算能力的原因。這也是基平更喜歡從開普勒龐大的行星和候選者寶庫中仔細選擇最佳目標的原因。這些目標大多是低質量、海王星大小的世界，它們圍繞著一顆類似太陽的宿主恆星相當近的軌道執行，在六個月或更短的時間內完成一次軌道圈。這樣的行星將表現出伴隨大型衛星的最清晰訊號。今年 7 月，基平及其同事發現了他們迄今為止最好的系外衛星候選者開普勒-1625bi，它可能是一顆海王星大小的衛星，圍繞一顆木星大小的行星執行，距離地球約 4,000 光年。哈勃太空望遠鏡的觀測可能會在 2018 年初證實或駁斥這一候選者。
該專案還計劃使用美國宇航局即將於 2018 年發射的凌星系外行星巡天衛星的資料，在紅矮星周圍尋找系外衛星，紅矮星比我們太陽這樣的恆星小得多、暗淡得多且數量更多。小尺寸意味著凌星行星將阻擋更高百分比的恆星總光量。相對較暗的輸出將宜居帶移近恆星；在那個半徑軌道上執行的任何行星都必須快速旋轉，從而為天文學家提供更多凌星來處理。“對我們來說，一切都隨著這些恆星而變得更好，”基平說。“在最好的情況下，我們可能可以探測到質量小於地球質量五分之一的衛星。”
在最壞的情況下，HEK 將根本探測不到任何系外衛星，這種前景至少可以讓基平和他的同事們設定有多少行星擁有大型衛星的上限。我們已經對不存在的東西有所瞭解。“如果有許多真正大的衛星，例如圍繞木星大小的凌星行星執行的兩倍地球半徑的衛星，您只需用肉眼檢視光變曲線，就可以看到衛星的影響，”佛羅里達大學天文學家埃裡克·福特說。“因此，如果它在開普勒視野中，很有可能有人現在已經發現了它，或者正在緊追不捨。”經過進一步分析，基平的團隊排除了早期調查的目標之一開普勒-22b 擁有大於地球大小約一半的衛星的可能性。
其他天文學家，如華盛頓大學的埃裡克·阿戈爾，仍然懷疑開普勒當前的資料集是否可以提供可驗證的系外衛星，特別是僅透過時間效應。“我的看法是，可信的探測將需要實際看到衛星的凌星，”阿戈爾說。“但這正處於開普勒可以做到的非常棘手的邊緣。當然，大自然總是會給我們驚喜。”
儘管阿戈爾對此表示懷疑，但他承認他和一些其他合作者正在進行他們自己的非官方搜尋，與 HEK 相比，該搜尋使用較少密集的計算來尋找更多明顯的效果，在更多的開普勒光變曲線中。“我的感覺是我們的搜尋應該圍繞每一顆已被探測到的行星進行，在合理範圍內，”阿戈爾說。
衛星透鏡
基平指出，衛星可以透過多種方式增加生命的機會。例如，他說，如果沒有衛星，地球的氣候和季節可能會大相徑庭，因為在天文時間尺度上，衛星有助於穩定我們星球的傾斜度。更重要的是，在月球螺旋式地向外移動到其目前與我們世界的軌道距離之前，它對早期地球產生的巨大潮汐效應可能在生命的起源和繁榮中發揮了至關重要的作用。
“當我們在宜居帶中發現一顆地球大小的行星時，首先要問的問題之一是，‘好吧，它有衛星嗎？’”基平說。這個問題的答案將有助於確定一顆行星是真正的地球孿生體，還是僅僅是一個有模糊親緣關係的表親。“我想知道我們自己的地球是僥倖，還是像它這樣的東西真的很常見，”他補充道。“樣本量為 1，我們真的無法知道答案。如果我們在太陽系外找到一些，我們會有一個更好的主意。”
透過正確型別的天文望遠鏡，即遠遠超出開普勒能力的望遠鏡，系外衛星可以做的遠不止簡單地標示一顆圍繞附近恆星執行的有希望的映象地球。基平說，地面或太空中的足夠大的望遠鏡可以調查那個遙遠世界的大氣層，尋找生命的標記，例如充滿我們星球天空的氧氣。
基平還認為，一些系外衛星可以用來繪製其宿主行星表面的地圖。天文學家已經透過仔細監測恆星亮度（當行星穿過其表面時）來使用凌星行星繪製恆星表面的地圖。“當從地球上看，衛星從行星前面經過時，您會獲得相同的機會，但現在您正在觀察行星的表面亮度，”他解釋說。“因此，有可能使用非常複雜的東西，您可以開始繪製地球孿生體的陸地、其水的分佈，所有這些都來自當衛星經過時，光變曲線如何改變形狀。有時我認為這是我們獲得任何類似於這些潛在宜居行星的照片的最可能方式。這可能是非常大的一塊餡餅的第一塊也是最小的一塊。”