天文學家是否剛剛發現了有史以來第一顆系外衛星，一顆圍繞另一顆恆星執行的行星的月球伴侶？或許吧。
哥倫比亞大學天文學家亞歷克斯·提奇和戴維·基平利用美國宇航局的開普勒和哈勃太空望遠鏡的資料報告稱，在一顆質量是木星三倍的行星周圍，可能存在一顆海王星大小的衛星的訊號，所有這些都圍繞著一顆近100億年曆史的類太陽恆星開普勒1625 b執行，距離地球約8000光年。如此巨大的衛星難以用現有的理論輕易解釋。這些發現發表在10月3日《科學進展》雜誌上發表的研究中，並基於兩人去年報告的早期工作，該工作首次提供了更初步的衛星證據。
如果得到證實，這一發現將挑戰科學家們目前對行星和衛星形成的理解，同時對宇宙中生命的普遍性產生潛在而深遠的影響，再次揭示，當談到外星世界時，宇宙往往比任何人想象的都要奇怪。
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一顆非凡的系外衛星
如果我們的太陽系具有任何指導意義，那麼宇宙中的衛星數量應該遠遠超過行星，並且可能構成任何給定星系中大部分宜居區域。因此，確定它們如何形成以及形成的頻率，將有助於天體生物學家在我們的星系中其他地方尋找生命。基平和提奇從開普勒資料中得出的統計資料已經表明，在圍繞恆星的溫帶軌道上的行星周圍，衛星明顯缺失——暗示大多數大型月球伴侶一定潛伏在更寒冷的區域，而類似於《星球大戰》中的恩多星或《阿凡達》中的潘多拉星的宜居衛星可能極其罕見。
人們認為，衛星可以透過三種方式形成：從行星形成後殘留的氣體和塵埃環中凝聚；從巨型撞擊中被撞入行星軌道的碎片中形成；或者透過與共軌小行星或彗星對的罕見近距離遭遇而被行星引力捕獲。但是，這顆新提出的系外衛星未能完全符合任何一種起源故事。它似乎太大，無法輕易地與其行星一起凝聚，而行星本身也太巨大和氣態，無法輕易地從任何可以想象到的撞擊中噴射出碎片。透過近距離遭遇捕獲，儘管有可能，但需要一系列難以置信的完美且不太可能發生的情況。“如果這是真的，這可能會為衛星開闢一個新的形成情景，”德國馬克斯·普朗克太陽系研究所的理論家勒內·海勒說，他沒有參與這項研究。“實際上，擬議衛星的存在本身就要求我們重新思考我們對‘衛星’的真正概念。”
為了便於理解，請考慮我們太陽系中最大的衛星，木星的木衛三，其質量還不到我們太陽系中最小的行星水星的一半。相比之下，開普勒1625 b的衛星的質量將大約是太陽系中所有類地行星和數百顆衛星質量總和的10倍。海勒說，這表明“這顆衛星的形成方式將與我們太陽系中的任何衛星完全不同。”
即使是這項研究的作者也同意，他們潛在的歷史性主張應該讓人深思——以前從來沒有人確鑿地發現過系外衛星，更不用說如此古怪的衛星了。“這顆衛星將具有相當驚人的特性，這充分說明了人們應該持懷疑態度，”哥倫比亞大學助理教授基平說，他在過去十年中率先開展了系外衛星的搜尋工作。“如果這是第10個已知的同類型物體，毫無疑問，我們會稱之為‘發現’。但由於它是同類中的第一個，因此需要更高程度的審查……我仍然無法百分之百地說服自己這絕對是真的。”
“我們在這裡敦促謹慎——第一顆系外衛星顯然是一個非同尋常的主張，它需要非同尋常的證據，”提奇說，他是這項研究的主要作者，也是基平在哥倫比亞大學指導下的博士候選人。“我們現在還沒到開香檳慶祝的時候。”
關於這顆潛在的衛星，幾乎一無所知，只知道根據估計的大小以及與行星宿主三百萬公里的距離，它在那個世界的天空中看起來將是地球自身衛星的兩倍大。根據行星-衛星對繞其恆星287天的軌道週期，提奇和基平粗略計算出那裡的平均溫度可能接近沸水——肯定會感到不舒服的溫暖，但對於地球上最頑強的微生物來說，這很容易生存。生物學面臨的更大挑戰將是行星和衛星都缺乏表面——預計那裡不會有外星人。
凌星時被捕捉到
多年來，關於系外衛星的說法來來往往，但有幾個說法尤其可信。2013年，科學家報告了潛在探測到的可能是一顆火星到海王星質量的系外衛星，圍繞一顆在太空中自由漂浮的木星質量的系外行星執行——或者是一顆木星狀的氣態巨行星，圍繞一顆小而昏暗的恆星執行。無論其性質如何，該系統的最初探測都是由於一種稱為引力微透鏡的現象，這種現象在任何給定的情況下都只發生一次且完全是偶然的，因此無法再次觀察到。然後，在2015年，對圍繞“超級土星”系外行星J1407 b發現的巨大環系統的另一項分析表明，多個缺口可能是由可能隱藏在環中的幾顆火星到地球質量的系外衛星造成的。然而，除了這些間接的發現之外，沒有可信的候選者存在。
突破性發現的最初跡象出現在去年，這是基平和提奇對開普勒龐大資料集中近300顆行星進行為期五年系外衛星搜尋工作的一部分，該資料集包含數千個已知世界。幾乎所有開普勒的行星都會凌星，這意味著當從地球上看時，它們會穿過其太陽的表面，向我們投下陰影，天文學家將其測量為恆星短暫的變暗。如果其中一些行星在其寬闊的軌道上孕育著格外巨大的衛星，那麼衛星也可能會被探測到凌星，從而在行星經過之前或之後不久，在恆星的光線中留下它們自身小得多的衰減印記。基平和提奇在開普勒1625 b的三次凌星中發現了看起來正是這樣的訊號。這足以讓他們獲得40小時的時間，使用哈勃的廣域照相機3（WFC3）儀器對行星及其潛在衛星的單次額外凌星進行後續觀測，預計發生在2017年10月28日和29日。除了尋找衛星的凌星外，他們的哈勃計劃還將嘗試確定開普勒1625 b凌星的精確時間，這可能會受到衛星或附近非凌星行星的引力拖曳的影響。
哈勃望遠鏡的觀測精度比開普勒的資料高出四倍，結果表明，開普勒1625 b的凌星確實發生了時間偏移，比計劃提前了約75分鐘到達——正如人們預期的那樣，如果行星的運動受到一顆巨大的伴隨衛星的擾動。此外，在行星凌星結束後3.5小時，哈勃望遠鏡捕捉到了第二次小得多的下降，因為恆星的亮度似乎僅下降了百分之一的五百分之一。恆星由於其表面的星斑和對流模式，亮度會一直下降，但基本的觀測測試表明，恆星活動不是這裡的原因，基平說。相反，他說，微小的訊號與一顆海王星大小的衛星“像狗跟著主人一樣拖在行星後面”的情況相符。
唉，基平和提奇分配的哈勃時間在他們能夠捕捉到較小凌星結束之前就到期了，這使得他們的資料集不完整，併為衛星的明顯陰影可能是其他東西的可能性敞開了大門。
是時候否定它了
約翰·霍普金斯大學的天文學家和哈勃儀器專家彼得·麥卡洛說：“我看不出有什麼理由它不會是系外衛星，”“另一方面，我也看不出有什麼理由它會是系外衛星。兩種說法都是有道理的。”
針對系外衛星假說，麥卡洛和其他熟悉結果的研究人員指出，哈勃的WFC3儀器以經常表現出微小的、難以確定的效能變化而聞名，這些變化可能模仿衛星的微弱訊號。此外，他們還指出開普勒任務的最新資料釋出，其中新的、最先進的分析方法導致開普勒資料中系外衛星的本已處於臨界狀態的跡象變得微不足道。“我認為這表明瞭解釋可能有多麼的不確定，因為對[開普勒1625 b]的凌星觀測太少了，”麥卡洛說。“研究人員完全意識到了這一點——他們是該領域的世界級專家。這只是問題的本質——這很困難。”
提奇和基平堅持認為，在花費了近一年的時間成為自己最嚴厲的批評者，並盡最大努力解釋掉證據之後，他們最非同尋常的主張仍然是最有說服力的。“就我們所知，沒有辦法否定這個訊號——恆星的光線中確實存在第二次下降，”基平說。是的，開普勒1625 b凌星的時間偏移也可能是由於一顆非常巨大的未見行星的影響——但儘管開普勒和哈勃進行了聯合仔細觀察，但尚未發現這樣的行星。“衛星是最簡單、最優雅和最自洽的假設——這就是我們支援它的原因。”基平說。“現在是時候讓同行來質疑我們的發現了。”
只有一種方法可以真正解決這個問題：更多的資料。美國宇航局即將推出的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡應該完全有能力明確地判斷這顆有望成為第一顆系外衛星的物體是否真實存在，但它最早也要到2021年才會發射。與此同時，基平和提奇正在等待另一項哈勃觀測提案的批准，該提案將使用兩倍的望遠鏡時間來捕捉開普勒1625 b及其假定衛星在2019年5月下一次預測的穿越期間的完整凌星。
這一次，他們預測衛星將在其軌道的另一側，凌星將發生在行星本身之前。“我們應該看到一個獨立的、清晰的衛星狀事件，”基平說。“如果我們看到那個，那麼我認為我們就完成了……我認為我們將在這個系統上有一個非常確鑿的案例。”當然，除了它是如何形成的之外。