地球上的日落已經很美了，想象一下，如果擁有雙重日落，不同顏色的恆星投射出橙色和紅色的移動陰影，會是怎樣一番景象。 多年來，我們兩人一直在思考，成對的或“雙星”恆星是否能夠支援行星的存在。像《星球大戰》中虛構的塔圖因星球那樣的世界，天空被兩顆不同太陽的光芒照亮，真的存在嗎？
天文學家有理由認為這樣的系統可能存在，但一些理論家對此持不同意見。他們認為，雙星周圍的環境對於行星形成來說過於混亂。與圍繞單顆恆星執行的天體不同，圍繞雙星執行的行星將不得不應對兩個引力場。而且由於恆星本身也相互繞行，引力的強度會不斷變化。即使行星能夠在如此動態的環境中形成，其長期穩定性也無法保證——行星最終可能會被拋射到深空中，或撞向其中一顆恆星。對雙星系統的觀測已經顯示出這些“環雙星”行星的一些間接證據，但直接證據仍然難以捉摸。
威廉·博魯茨基和他的合作者為了發射一顆尋找系外行星的航天器，努力了二十多年，終於在 2009 年 3 月取得了成果。美國國家航空航天局的開普勒任務已被證明非常成功，透過凌星法迅速揭示了數百個，然後是數千個行星候選者。凌星法是搜尋行星在恆星前方執行時發生的微型日食，阻擋了恆星的部分光線。但在兩年後，仍未探測到環雙星行星。缺乏證據的挫敗感開始讓人感到沮喪。在 2011 年春季的一次開普勒每週電話會議上，我們中的一人試圖用黑色幽默來緩解氣氛：“也許我們應該寫一篇論文，說明為什麼它們不存在。” 隨之而來的是一片沉默。
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我們的擔憂是多餘的。在那次談話後的六個月內，我們舉行了一次新聞釋出會，宣佈發現了第一顆凌星環雙星行星。這顆行星被稱為開普勒-16b。幾個月後，開普勒食雙星工作組又發現了兩顆環雙星行星（開普勒-34b 和開普勒-35b），表明儘管這種系統很奇特，但並非罕見。一個新的行星系統類別已經確立。目前已知的開普勒環雙星行星有七顆，這個數字在短期內可能會翻一番。事實上，計算表明，銀河系中可能存在數千萬顆這樣的行星。
搜尋策略
對環雙星行星的探索始於 20 世紀 80 年代，甚至早於天文學家發現我們太陽系之外的任何“系外行星”的第一個證據 [參見勞倫斯·R·多伊爾、漢斯-約爾格·迪格和蒂莫西·M·布朗合著的《尋找其他地球的陰影》；大眾科學，2000 年 9 月，以及其中的參考文獻]。儘管在雙星系統中凌星可能要複雜得多，但對發現此類系統的希望是由一個簡單的期望所驅動的：如果一顆行星確實圍繞一個食雙星系統執行，我們預計它會與恆星本身在同一軌道平面上執行。換句話說，如果我們從地球上的視角觀察到恆星相互掩食，那麼行星就更有可能掩食一顆或兩顆恆星。這假設行星和恆星具有共面軌道，這是一個合理的假設——也是一個可以檢驗的假設。
食雙星在許多方面都是恆星天體物理學建立的基礎。它們沿著我們視線的特殊方向意味著恆星每次軌道執行時都會在彼此前方經過，阻擋一部分光線。透過精確地模擬光線在食期間如何變暗，我們可以瞭解恆星的大小和形狀以及它們軌道的幾何形狀。結合其他測量方法，我們可以測量恆星的半徑和質量。因此，食雙星提供了恆星質量和半徑的基本校準，而這些校準又用於估計非食星和單星的恆星屬性。
如果雙星系統中的兩顆恆星相距很遠，例如軌道週期為數百年，那麼恆星幾乎不會相互影響，它們的行為幾乎就像是孤立存在一樣。行星可以圍繞其中一顆恆星執行，並且通常不會受到另一顆恆星的存在的影響。這些被稱為拱星或 S 型行星，在過去十年中已經發現了數十顆這樣的行星。
當恆星彼此非常靠近，以至於它們只需要幾周甚至幾天的時間才能相互繞行時，事情就會變得更加有趣。對於如此雙星系統中的行星來說，要擁有穩定的軌道，它必須圍繞兩顆恆星執行，而不僅僅是一顆。數值計算表明，行星與恆星的軌道距離必須大於最小臨界距離；如果太近，旋轉的雙星系統會破壞行星軌道的穩定性，要麼吞噬它，要麼將其拋射到星系之外。最小穩定距離大約是恆星之間距離的兩到三倍。這些型別的行星被稱為環雙星或 P 型行星。雖然圍繞單星以及在廣闊分離的雙星中圍繞單顆恆星的行星很常見，但我們想知道自然界是否可以在環雙星配置中製造行星系統，即行星圍繞兩顆恆星執行。
在一個簡單的單星、單行星系統中，凌星會以節拍器的週期性發生，這極大地有助於它們的探測。但是，如果再增加一顆恆星，這個三體系統就會開始顯示各種複雜的效應。複雜性產生的原因是恆星快速移動——這與單星系統（恆星實際上是靜止的）形成對比。事實上，由於兩顆恆星彼此之間的距離比它們與行星之間的距離更近，因此它們必須比行星圍繞它們執行的速度更快地相互繞行——這是約翰內斯·開普勒著名的行星運動定律的體現。因此，行星將凌星一個快速移動的目標，有時它會提前穿過恆星，有時會延遲穿過恆星。雖然可以精確預測（如果質量和軌道已知），但凌星不會是週期性的。此外，凌星的持續時間會根據行星相對於被凌星的恆星的相對運動而變化——如果它們朝同一方向移動，則凌星的持續時間會更長，但當恆星在其軌道的另一半並朝另一方向移動時，凌星的持續時間會更短。這些變化使得探測環雙星行星變得困難，但它們也提供了一個重要的好處：一旦雙星的軌道被破譯，凌星時間和持續時間的變化模式就可以用來明確地確認環雙星天體的存在。沒有其他天文現象表現出這樣的模式。這是環雙星天體的獨特特徵——一個確鑿的證據。
首次探測
直到今年早些時候出現技術問題使其停止執行之前，開普勒號一直將其目光對準天空中的一塊區域，尋找行星在宿主恆星前方穿過時引起的特徵性變暗現象。在尋找行星的過程中，開普勒號還發現了 2000 多個新的食雙星系統。還發現了一些奇特的系統，包括第一個已知的食三星系統。
2011 年，我們中的一位（多伊爾）與羅伯特·斯拉夫森（Robert Slawson）合作，在加利福尼亞州山景城的 SETI 研究所與他一起工作，注意到在名為 KIC 12644769 的雙星中出現了額外的食事件。這兩顆恆星每 41 天相互掩食一次，但還有其他三個無法解釋的食事件。前兩次事件相隔 230 天發生。下一次事件發生在 221 天后——比預期提前了 9 天。這正是人們會從環雙星行星中獲得的訊號。
因此，這些凌星事件提供了第三個天體圍繞雙星執行的證據。但這可能只是一顆暗淡的小恆星掠過大恆星的一部分——正如開普勒號向我們展示的那樣，這樣的三星食系統並非特別罕見。輕微的變暗表明該天體可能具有較小的半徑，但像棕矮星這樣的恆星狀天體也很小，因此我們無法確定該天體是否是一顆行星。我們必須測量它的質量。
在三體系統中，雙星的未見伴星可以透過兩種主要方式使其存在為人所知。想象一下兩顆恆星相互掩食，一顆相對較大的行星在較遠的地方圍繞雙星對執行。雙星相互繞行，但此外，雙星對的質心也圍繞三體系統的質心執行。因此，有時雙星會稍微靠近地球；有時，它們會離地球更遠。當它們離我們更遠時，來自恆星的光需要更長的時間才能到達我們，並且食事件會稍微晚一些發生。當恆星離我們更近時，食事件會提前發生。第三個天體的質量越大，變化就越大。因此，這種週期性的光行時效應使人們能夠推斷出任何未見天體的存在並估計其質量。此外，第三個天體離雙星越遠，效果就越明顯，因為增加的距離將起到槓桿作用，但距離越遠，週期時間就越長。在我們的候選環雙星行星的案例中，在 230 天左右的時間尺度上沒有可檢測到的食計時週期性變化，這意味著隱藏的天體質量很小。但有多小呢？
第三個天體影響雙星的另一種方式是透過直接的引力相互作用，稱為動力學效應。對於更近的天體，這種方法比光行時效應更重要。未見的伴星稍微改變了雙星的軌道，這些變化可以透過食事件發生時間的變化來捕捉到。由於較小的恆星更接近第三個天體，因此其軌道會受到更大的擾動。與光行時效應不同，動力學效應會以複雜的方式改變食事件的時間。
我們在開普勒科學團隊的一位同事，現在在芝加哥大學的丹尼爾·C·法布里基注意到，恆星質量的天體會強烈影響食事件的時間，而行星會產生更微妙但可能可測量的訊號。對於這個系統來說，動力學效應應該比光行時效應強得多。我們尋找並隨後發現了食計時的變化，揭示出對恆星的拉力遠不及恆星質量的伴星會產生的影響。
調查的最終高潮是由哈佛-史密森天體物理學中心的約書亞·A·卡特提供的，他能夠建立一個複雜的系統計算機模型。該模型與行星質量類似於土星的行星的完整資料集完美匹配。觀測結果和模型之間的完美匹配證明了行星的存在，併為系統的半徑、質量和軌道特徵提供了極其精確的值。
這顆行星被命名為開普勒-16b，是第一顆被發現的凌星環雙星行星。凌星現象和明顯的動力學效應的結合使得這次探測結果毋庸置疑。由於從這顆行星上看，雙星會像太陽大小的圓盤一樣，因此開普勒-16b 很快就獲得了來自《星球大戰》中虛構行星“塔圖因”的暱稱，以及其標誌性的雙重日落景象。科幻小說變成了科學事實。
行星的新類別
開普勒-16b 最初看起來是一顆非常奇怪的行星。它的軌道非常靠近它的宿主恆星，僅比軌道穩定所需的最小臨界距離遠 9%。而且由於這是當時唯一一顆凌星環雙星行星，我們問自己：開普勒-16b 只是一個僥倖嗎？
幸運的是，答案很快就來了。我們與聖地亞哥州立大學的傑羅姆·A·奧羅茲合作，已經開始搜尋不凌星其恆星的環雙星行星。這些應該比凌星的情況更常見，因為不需要行星軌道與恆星的特殊對齊來產生凌星。如前所述，食計時的微小變化應該會揭示出這樣的行星。我們已經進行了幾個月這方面的研究，並確定了一些候選系統。然後在 2012 年 8 月的一個星期二下午，我們中的一位（威爾士）注意到其中一個雙星系統中出現了凌星現象。在幾個小時內，法布里基建立了一個計算機模型，再現了可變的凌星時間和持續時間，確認了凌星天體是一顆行星。我們發現了開普勒-34b。第二天，奧羅茲馬不停蹄地在另一個食雙星系統中發現了凌星現象，它也孕育著一顆行星——開普勒-35b。
在接下來的幾個月中，奧羅茲繼續發現了開普勒-38b，表明也存在較小的海王星質量的環雙星行星，然後是開普勒-47 行星系統，該系統至少有兩顆行星，表明雙星可以孕育多顆行星。最近發現的環雙星行星開普勒-64b（也稱為 PH1）是由約翰·霍普金斯大學研究生韋塞林·科斯托夫和作為行星獵人專案一部分工作的業餘天文學家同時獨立發現的。它是四星系統的一部分，進一步擴充套件了行星可以形成的地方的多樣性。
迄今為止發現的七顆環雙星行星告訴我們，這些天體並非極其罕見，而是我們發現了一個全新的行星系統類別。對於探測到的每個凌星行星系統，幾何學告訴我們，大約有 5 到 10 顆行星是我們看不到的，因為它們沒有正確的方向，無法從我們的有利位置在雙星前方經過。鑑於在搜尋的大約 1000 個食雙星中發現了七顆行星，我們可以保守地估計，銀河系是數千萬個此類環雙星行星系統的家園。
迄今為止，所有開普勒凌星環雙星行星都是氣態巨行星，是沒有岩石外殼的世界，宇航員無法站在其表面上欣賞雙重日落。對較小的岩石行星的搜尋仍在繼續，儘管地球大小的環雙星行星將極其難以探測。
但即使是如此小的行星樣本，也出現了一些有趣的問題。例如，所有開普勒食雙星中有一半的軌道週期小於 2.7 天，因此我們預計一半帶有行星的雙星的週期也小於 2.7 天。但它們中沒有一個是這樣的；最短的軌道週期是 7.4 天。為什麼？我們推測這可能與最初將恆星拉得如此之近的過程有關。
此外，行星傾向於非常靠近它們的恆星執行。如果它們離得更近，行星的軌道將不穩定。那麼，是什麼導致它們如此危險地生存？瞭解為什麼環雙星行星如此靠近其臨界不穩定性半徑執行將有助於我們改進關於行星如何形成以及它們的軌道如何隨時間演化的理論。
儘管我們不知道為什麼這些行星似乎偏愛如此不穩定的軌道，但我們仍然可以推斷出一些深刻的東西：行星可以如此靠近混亂環境生存的發現告訴我們，行星形成是充滿活力和穩健的。
動態宜居帶
開普勒環雙星行星傾向於位於臨界穩定性半徑附近，這有一個有趣的後果。對於開普勒恆星樣本，臨界半徑通常接近宜居帶——恆星（或在本例中為兩顆恆星）周圍的區域，該區域的能量使行星的溫度恰到好處，足以讓水以液態形式存在。離恆星太近，行星上的水就會沸騰；離得太遠，水就會結冰。而水是生命存在的先決條件，就我們所知而言。
對於單顆恆星，宜居帶是圍繞該恆星的球殼區域。在雙星系統中，每顆恆星都有自己的宜居帶，如果恆星足夠靠近，它們會合併成一個扭曲的橢球體，開普勒環雙星行星的情況就是如此。隨著恆星相互繞行，組合宜居帶也隨恆星一起旋轉。由於恆星的繞行速度快於行星，因此宜居帶的擺動速度比行星的軌道執行速度更快。
與地球圍繞太陽的近圓形軌道不同，環雙星行星到其宿主恆星的距離在一個行星年的過程中可能會發生根本性的變化。因此，行星季節可能會在短短幾周內興衰，因為恆星彼此圍繞旋轉。這些氣候變化可能是巨大的且僅是準規律性的——奧羅茲指出，“這將是一次瘋狂的旅程。”
在已知的七顆凌星環雙星行星中，有兩顆位於其系統的宜居帶中，這是一個非常高的比例。雖然位於宜居帶中並不能保證適合生命存在的條件——例如，月球位於太陽的宜居帶中，但由於其質量太小，無法保持大氣層，因此仍然荒涼得令人難以想象——但環雙星行星在其宜居帶中比例很高，這確實讓人不禁停下來思考。環雙星世界的氣候變化劇烈而迅速，生命，甚至文明，會是什麼樣子？