上個月，天文學家宣佈首次發現多顆行星圍繞一對恆星執行。雙星系統，由兩顆恆星圍繞一個共同點執行組成，非常常見——大約一半的太陽大小的恆星被認為是雙星系統的成員。但直到2011年，天文學家才報告了第一個被證實的雙星系統例項，該系統甚至只有一顆行星。新發現的系統名為開普勒47，由一顆大小與太陽相近的恆星和一顆較小的伴星組成，兩顆行星圍繞它們執行。
之所以花費這麼長時間才發現圍繞雙星執行的系外行星，並不是因為它們稀有，而是因為從地球的有利位置很難看到它們。開普勒47發現的資料來自開普勒太空望遠鏡，它繞太陽而不是地球執行，因此我們的地球不會阻擋它的視線。該航天器的任務是搜尋恆星宜居帶內的行星，希望能讓科學家更好地瞭解有多少系統擁有可以支援生命的行星。
開普勒透過測量物體在其前方透過時引起的恆星亮度微小變化來探測系外行星，類似於六月份最後一次觀測到的金星凌日。因此，開普勒只能找到軌道與它的視線對齊的行星。否則，從望遠鏡的角度來看，行星不會改變恆星的光線。因此，科學家們在可以找到多少這樣的系統方面受到限制；遙遠的恆星不會自行排列以提供更好的視野。加州大學聖克魯茲分校的天體物理學家丹尼爾·法布里奇基（Daniel Fabrycky）是宣佈這項發現的論文作者之一，他說：“關鍵是它沒有什麼特別之處；行星也可以在雙星周圍形成。”
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任何對天體運動的描述都始於經典物理學——特別是牛頓萬有引力定律。該定律描述了一個物體對另一個物體施加的力。它指出，力與物體的質量成正比，與物體之間距離的平方成反比。由於力等於質量乘以加速度，因此可以使用這兩種不同的力描述來編寫微分方程組，該方程組將描述任意數量物體的運動。描述它們運動的問題稱為n體問題，其中n代表系統中物體的數量。實際上，一旦給出了一堆物體的質量和速度，推匯出方程並不太難。但只有二體問題才能得出明確的答案。其他n值的解必須透過數值方法找到，這會導致任意精確的近似值，而不是透過找到方程的通用解。
一個擁有兩顆環繞行星的雙星系統是一個四體問題。但是，法布里奇基說，在開普勒47系統中，這兩顆行星比兩顆恆星小得多，以至於它們的質量可以被假設為零。因此，對於這兩顆恆星來說，四體問題變成了二體問題，因為行星對它們的牽引力不大。這個二體問題的解決方案是每顆恆星都在圍繞這兩個物體的質心做橢圓軌道運動。這些軌道被描述為開普勒軌道，因為約翰內斯·開普勒——文藝復興時期的天文學家，該航天器以他的名字命名——首先注意到我們太陽系中的行星具有橢圓軌道，而不是圓形軌道。
（左圖，模擬兩顆大小相近的恆星圍繞其質心（紅色十字）做橢圓軌道運動。來源：Wikimedia Commons/Zhatt）
然而，在開普勒47系統中，兩顆恆星彼此的軌道幾乎是圓形的，並且恆星彼此非常靠近。它們的軌道週期約為7.5天，彼此之間僅相距約1300萬公里。（作為參考，這大約是太陽和水星之間平均距離的四分之一。）研究人員使用多普勒光譜學確定了這些引數，多普勒光譜學測量發射的光，以確定較小的物體如何對較大的物體施加引力。
為了模擬行星軌道，研究人員使用了數值模型來找到最符合開普勒收集的行星凌日資料的軌道。內行星繞恆星執行大約需要49.5天，距離它們只有約4400萬公里；外行星繞恆星執行大約需要303天，距離這對恆星的距離與地球到太陽的距離大致相同。這使得開普勒47的外行星處於宜居區域，液態水可能存在。憑藉這樣的位置，外行星可能會讓人想起《星球大戰》中的塔圖因星球，但研究人員表示，這顆行星可能是一個氣態巨行星，對於類似地球的生命來說，這不是一個宜居的環境。但法布里奇基指出，如果你乘坐熱氣球觀察外行星的大氣層，那麼雙重日落可能看起來像《星球大戰》中的場景，兩顆太陽在視野中非常接近。如果這顆行星有衛星，那麼它就有很小的機會可以支援生命。
橢圓是對行星路徑的良好近似，但它們並不完美，因為作用在行星上的引力並非直接來自兩顆恆星的質心。法布里奇基說：“它們幾乎是在橢圓軌道上執行，但由於恆星彼此環繞，它們會在橢圓軌道上稍微擺動。” 隨著時間的推移，這些力將導致行星的軌道——以及這個遙遠太陽系的形狀發生演變。法布里奇基說，這個系統發生顯著變化只需要大約一個世紀。（相比之下，在我們的太陽系中，這種變化需要數萬年。）
展望未來，天體物理學家將繼續使用望遠鏡搜尋潛在的宜居行星，應用開普勒定律來描述它們的運動。法布里奇基預計，在未來幾年，研究人員將宣佈在單星和多星系統中發現更多系外行星。天文學家希望開普勒能夠幫助他們找到關於我們宇宙的重大問題的答案。所有雙星系統都是平面的嗎？是什麼不同的過程產生了行星？當然，還有其他人在那裡嗎？