許多天文學研究發生在科學家工作的辦公室和天文臺。但是，如果你想找到最令人興奮的理論，你需要去守衛鬆懈，更狂野的想法可以自由馳騁的地方。
圖森市最好的酒吧之一（名為 1702，以其街道地址命名）靠近亞利桑那大學的斯圖爾特天文臺，這並非巧合。在那裡，我的同事羅切斯特大學的埃裡克·馬馬傑克向我展示了一些東西，這促使我們開始尋找太陽系以外的第一個環狀行星，這是一項涉及世界上最現代化的望遠鏡和百年天文觀測的任務。一路走來，我們不僅發現了一個比土星更大的環系統，而且還發現了一個似乎是新生的衛星。
發現星環
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故事始於 2011 年，當時馬馬傑克和他在羅切斯特的當時的博士生馬克·佩考特正在彙編一份地球附近非常年輕的恆星目錄。為了猜測候選恆星的年齡，馬馬傑克和佩考特檢查了恆星的自轉速度。年輕的恆星比年老的恆星自轉得更快，它們的自轉速度可以透過觀察進出視野的星斑（恆星表面較暗、較冷的區域）來計時。
一項被考慮納入調查的候選天體沒有名字，只有一個基於觀測它的儀器及其在半人馬座天空中的位置的程式碼：1SWASP J140747.93-394542.6。我們現在簡稱它為 J1407。它和正在考慮的其他恆星距離太遠，無法直接看到它們的斑點，因此馬馬傑克和佩考特轉而檢查了 J1407 的“光變曲線”——即其亮度隨時間變化的圖表——尋找當斑點旋轉到視野中並減少星光時出現的小幅下降。當行星從地球上看“凌日”穿過恆星時，也會引起這種下降。馬馬傑克和佩考特在名為 SuperWASP 的行星搜尋相機調查的資料庫中找到了 J1407 的曲線，該調查迄今已透過監測約 3100 萬顆恆星發現了 100 多顆凌日行星。
光變曲線確實表明 J1407 是一顆年輕、快速旋轉的恆星，但它也包含其他更引人入勝的資訊。匆匆一瞥 SuperWASP 的 J1407 光變曲線，就會發現 2007 年，這顆原本平淡無奇的恆星在多個夜晚以不可預測的模式閃爍，然後在整整一週內反覆變暗至幾乎看不見，最後才恢復到通常的亮度。其他年份的資料顯示該恆星沒有這種變化。2007 年的這次奇異事件並沒有給人留下太多印象，這條曲線隨後被默默地擱置在檔案中。但在 2011 年看到它後，馬馬傑克就無法忘記它了。
“我把這條光變曲線的列印稿貼在我的辦公室牆上，看了好幾個星期，”他在圖森的酒吧裡向我回憶道。“這種瘋狂的結構和細節是獨一無二的。是什麼原因導致了恆星亮度的快速變化？”
在那次討論後不久，我們開始合作解決這個謎團。我們很快排除了諸如 SuperWASP 相機出現問題或觀測條件不佳等明顯的罪魁禍首。無論它是什麼，導致 J1407 神秘變暗的源頭都不在地球上。
我們很快得出結論，一定是某個非常快且非常大的物體正在遮蔽 J1407 並使其閃爍。亮度波動速度表明，遮蔽物體以每秒 30 公里的速度在恆星表面前方飛馳，但凌日本身持續了 56 天！如此長的持續時間意味著該物體的大小約為 1.8 億公里。
對於如此巨大的結構，合理的解釋只有這麼多。我們逐一考慮，然後否定了它們。會不會是靠近恆星執行的塵埃帶？不，J1407 周圍沒有你期望從溫暖的塵埃中看到的那種明顯的紅外光芒。這會不會是一個雙星系統，一顆巨紅星遮蔽了一顆較小的伴星，如白矮星、中子星或黑洞？不，這種系統往往比我們看到的發出更多的 X 射線，而且 J1407 似乎不是一顆巨星。閃爍會不會是地球和恆星之間深邃的星際空間中漂浮的某個物體的陰影造成的巧合，或者 J1407 可能是一個複雜的三星系統，有一個 1.8 億公里寬的遮蔽伴星？不，這些可能性都不符合資料。最終，與所有觀測結果一致的最簡單的解釋也是非常奇怪的：光變曲線中的下降可能是由一個比土星大 200 倍的巨大環系統造成的，該環系統圍繞著一顆未被發現的行星執行，這顆行星在 2007 年從 J1407 和地球之間經過。
但是我們為什麼認為這是一個環系統呢？光變曲線中最引人注目的特徵是可以在所有時間尺度上看到的細節水平——凌日持續了 56 天，但在短短 20 分鐘內就能看到快速變化。這些速度暗示巨大的遮蔽物體具有大量的子結構，而光變曲線大致對稱的形狀表明該物體具有圓形或橢圓形幾何形狀——非常像我們熟悉的土星環系統。如果我們是對的，那麼這個巨大的行星環將是我們在太陽系外發現的第一個。
搜尋行星
如果這真的是一個巨大的環系統，那麼 J1407 周圍一定有一顆巨大的行星來束縛這些環。因此，我們開始尋找這顆行星，我們稱之為 J1407b，使用了地球上兩個最大的天文臺——夏威夷的 10 米凱克 II 望遠鏡和智利的 8.2 米甚大望遠鏡上的先進儀器。
即使是最大、最亮的行星也比它們的主恆星暗淡得多，也更難看到。但 J1407 對於一顆恆星來說非常年輕。鑑於其估計年齡——僅 1600 萬年——圍繞它的任何氣態巨行星仍會在紅外光中發出明亮的光芒，這來自其形成的熱量。根據 J1407 與我們的距離，其預測的伴星在透過強大的望遠鏡觀察時，看起來與恆星的距離僅約 50 毫角秒——相當於在月球表面看到的足球場球門柱之間的距離。雖然具有挑戰性，但這種觀測完全有可能實現。
兩年來，我們一直在努力拍攝這顆行星的影像，同時尋找由那顆看不見的繞行世界的前後拉扯引起的恆星運動中明顯的週期性偏移。我們還招募了一個由專業和業餘天文學家（包括美國變星觀測者協會）組成的網路，每晚監測 J1407 的亮度，尋找預示著另一次凌日開始的變暗。
我們一無所獲。這個結果並不意味著這顆行星不存在；即使它比木星重 12 倍，我們也很容易錯過它。我們也可能在錯誤的時間觀察，當時行星會在其恆星後面，我們看不見它。即便如此，這些零探測確實使我們能夠排除一些低質量伴星作為 J1407 變暗的原因。
揭開星環
儘管存在不確定性，我們仍然勇往直前，試圖推測我們懷疑在 J1407b 周圍盤旋的星環的結構。幾個月來，我們的團隊開發了計算機模型，從 J1407 的光變曲線中提取有關星環構成和三維結構的資訊。
站在白板前與幾位同事討論這個問題時，我們突然有了一個頓悟：即使我們不知道各個環的確切數量和位置，光變曲線傾斜段的陡峭程度也可以為我們提供有關環系統整體幾何形狀的線索，例如它與恆星的對齊方式。利用這一額外的資訊，我們現在可以完成我們的星環計算機模型，並根據星環的許多不同的假設傾斜角度生成合成光變曲線。果然，我們測試的一種配置與我們在 J1407 資料中看到的獨特下降和鋸齒相匹配！
有了這些知識，我們繪製了環系統的地圖，將光變曲線的每個部分與行星 J1407b 的不同環距離相匹配。每次光變曲線的斜率發生變化時，這種切換都標誌著一個環的凌日的開始或結束。計算光變曲線中的所有這些點，我們看到了至少 24 個環——儘管考慮到偶爾不良觀測條件造成的資料空白，我們估計該系統更有可能至少有 100 個環。
我們很幸運能在 J1407b 環系統演化的這個階段看到它。為了理解原因，請考慮我們熟悉的土星以及它的環系統是如何隨著時間演變的。其環的固體外觀實際上是一種錯覺。它們由冰粒子組成，這些冰粒子在行星周圍進行圓形軌道運動。這些粒子聚集在一起，受到在環內及其外緣附近軌道執行的小衛星——衛星仔——的塑造。人們認為土星曾經擁有更大的環，但系統外緣的小粒子透過它們的相互引力聚集在一起，在一個失控的過程中形成了我們現在熟悉的一些土星衛星。這種景象既美麗又轉瞬即逝——任何觀察者都必須非常幸運地生活在宇宙時間的正確切片中才能看到它。
就像很久以前的土星環系統一樣，今天的 J1407b 環系統似乎也處於過渡期。我們的模型表明，該系統包含一個很大的間隙，可能是由天文學家以前從未見過的東西形成的：一顆衛星——一顆新生系外衛星——圍繞 J1407b 執行。我們的計算表明，這顆衛星需要將近兩年時間才能繞 J1407b 執行，並且可能具有火星的質量。儘管這個大間隙本身並不能構成明確的系外衛星探測，但如果 J1407b 及其環系統的存在得到證實，那麼這個間隙將是迄今為止證明這些難以捉摸、長期尋求的物體存在的最佳證據。
這個奇異、動態系統的初步圖景簡直是壯觀的。從星際空間飛來，你會看到主恆星的眩光幾乎壓倒了其較冷（但仍然炙熱）行星的暗淡光芒。從上方接近這顆行星，人們會看到環像明亮的漣漪一樣在黑暗的太空背景中擴散開來。環繞著碰撞產生的碎片扇，環平面上將充滿起伏的團塊物質波浪。其中一些波浪會在兩個環之間最大的團塊——火星大小的衛星產生的巨大間隙處斷裂。
如果這顆衛星的軌道略微偏離環平面，那麼站在它的表面，你就會看到周圍的環在整個天空向你拱起。如果這顆衛星擁有大氣層，那麼當 errant 環粒子穿過時，會因摩擦生熱而燃燒，使天空充滿壯麗的流星雨。在頭頂上，行星 J1407b 會像一顆小寶石一樣鑲嵌在來自其廣闊星環的散射光芒中，星環上佈滿了黑暗的雲帶，像燃燒的煤炭一樣發光。
然而，這個系統為天文學家提供的不僅僅是美麗的風景。圍繞恆星近距離執行的氣態巨行星是太陽系外最容易探測到的世界之一，但由於缺乏固體表面，它們為我們所知的生命提供了糟糕的前景。圍繞這樣一顆行星執行的大衛星將完全不同，因為它可能提供相對適合生命生存的岩石、含水錶面。如果我們的太陽系可以作為參考，那麼我們的星系可能充滿了繞巨行星執行的數萬億顆大衛星。證明系外氣態巨行星周圍存在衛星將極大地擴充套件生命可能存在的地方的可能性。
多年來，一小部分研究人員一直在熱切地尋找系外衛星，主要是透過它們可能對其母行星運動產生的間接影響。凌日行星會精確且週期性地使它們的主恆星變暗，但一顆看不見的大型系外衛星的質量會導致原本有規律的凌日時間表出現額外的漂移。哥倫比亞大學的大衛·基平（David Kipping）等天文學家對系外衛星進行了深入搜尋，在 NASA 的行星搜尋開普勒衛星發現的凌日世界的變光曲線中尋找這種特徵。到目前為止，他們還沒有發現系外衛星。但 J1407b 可能存在的衛星表明，這些持續不斷的搜尋不會長期毫無結果。
然而，就目前而言，行星及其衛星都只是假設。地球上最大的望遠鏡和最靈敏的儀器尚未能夠找到確鑿的證據來無可辯駁地證實它們的存在。相反，這些證據可能來自過去多年使用更粗糙技術收集的檔案資料——例如哈佛-史密森天體物理中心的一個館藏。
回到未來
該中心接待了許多研究人員，其辦公室和走廊裡擠滿了埋頭研究來自太空望遠鏡的資料、撰寫論文、執行模擬和參加講座的人們。離這座熙熙攘攘的大樓僅幾米之遙的是哈佛玻璃板堆疊館，它位於一個安靜的磚牆附屬建築中，很少有人涉足。在一個側翼，長長的架子上堆滿了裝有大型紙質信封的堆疊，這些信封堆滿了三層樓的牆壁，一直延伸到天花板。你可能會認為這是一個二手唱片店，但這些信封裡裝的不是黑膠唱片，而是來自各個天文臺的超過 50 萬張底片——佔世界所有天文底片的四分之一。它們記錄了一個世紀的夜空觀測。
這些底片現在正在被哈佛天空世紀數字化訪問專案掃描，該專案旨在數字化並上傳儲存在這些脆弱玻璃幻燈片上的所有資料。我們已經確定 J1407 出現在大約 700 張底片上，這些底片是在 1901 年至 1984 年拍攝的影像中。藉助這些底片的資料，我們將能夠搜尋更多凌日事件，以便我們瞭解下一次凌日事件何時發生。
目前，我們最好的猜測是它將在未來十年內的某個時候發生。與此同時，我們仍在尋找行星及其環的明確證據，敬業的天文學家幾乎每晚都在監測 J1407。他們正在尋找當最外層環開始穿過恆星時引起的星光下降。當這種情況發生時，可以進行許多觀測以更詳細地研究這些環。當星環移動到恆星前方時，我們可以使用世界上最大的望遠鏡上的光譜儀來收集一些穿過星環周圍的星光，以辨別它們的化學成分以及該成分如何隨與 J1407b 的距離而變化。最令人興奮的是，J1407 是一顆從南半球可見且易於觀測的相對明亮的恆星——使用小型望遠鏡的天文學家可以即時跟蹤恆星的亮度波動，從而提供來自世界各地的 24 小時連續覆蓋。
我們對 J1407b 巨環的深入研究僅僅是更廣泛的太陽系形成方式系列研究的開始。人們認為，新生巨行星會產生環行星盤，這些環行星盤會凝結成衛星和環，我們預計很快就會透過它們肯定會在星系中投下的陰影探測到更多此類系統。既然我們知道要尋找什麼，那麼尋找更多像 J1407b 周圍那些被認為存在的巨環系統和系外衛星的競賽就開始了。我的同事和我已經在新的資料庫中搜尋其他系統中帶有環的行星的蛛絲馬跡。土星華麗的環系統可能很快就會面臨來自其他恆星周圍環系統的激烈競爭。