许多天文学研究发生在科学家工作的办公室和天文台。但是，如果你想找到最令人兴奋的理论，你需要去守卫松懈，更狂野的想法可以自由驰骋的地方。
图森市最好的酒吧之一（名为 1702，以其街道地址命名）靠近亚利桑那大学的斯图尔特天文台，这并非巧合。在那里，我的同事罗切斯特大学的埃里克·马马杰克向我展示了一些东西，这促使我们开始寻找太阳系以外的第一个环状行星，这是一项涉及世界上最现代化的望远镜和百年天文观测的任务。一路走来，我们不仅发现了一个比土星更大的环系统，而且还发现了一个似乎是新生的卫星。
发现星环
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故事始于 2011 年，当时马马杰克和他在罗切斯特的当时的博士生马克·佩考特正在汇编一份地球附近非常年轻的恒星目录。为了猜测候选恒星的年龄，马马杰克和佩考特检查了恒星的自转速度。年轻的恒星比年老的恒星自转得更快，它们的自转速度可以通过观察进出视野的星斑（恒星表面较暗、较冷的区域）来计时。
一项被考虑纳入调查的候选天体没有名字，只有一个基于观测它的仪器及其在半人马座天空中的位置的代码：1SWASP J140747.93-394542.6。我们现在简称它为 J1407。它和正在考虑的其他恒星距离太远，无法直接看到它们的斑点，因此马马杰克和佩考特转而检查了 J1407 的“光变曲线”——即其亮度随时间变化的图表——寻找当斑点旋转到视野中并减少星光时出现的小幅下降。当行星从地球上看“凌日”穿过恒星时，也会引起这种下降。马马杰克和佩考特在名为 SuperWASP 的行星搜寻相机调查的数据库中找到了 J1407 的曲线，该调查迄今已通过监测约 3100 万颗恒星发现了 100 多颗凌日行星。
光变曲线确实表明 J1407 是一颗年轻、快速旋转的恒星，但它也包含其他更引人入胜的信息。匆匆一瞥 SuperWASP 的 J1407 光变曲线，就会发现 2007 年，这颗原本平淡无奇的恒星在多个夜晚以不可预测的模式闪烁，然后在整整一周内反复变暗至几乎看不见，最后才恢复到通常的亮度。其他年份的数据显示该恒星没有这种变化。2007 年的这次奇异事件并没有给人留下太多印象，这条曲线随后被默默地搁置在档案中。但在 2011 年看到它后，马马杰克就无法忘记它了。
“我把这条光变曲线的打印稿贴在我的办公室墙上，看了好几个星期，”他在图森的酒吧里向我回忆道。“这种疯狂的结构和细节是独一无二的。是什么原因导致了恒星亮度的快速变化？”
在那次讨论后不久，我们开始合作解决这个谜团。我们很快排除了诸如 SuperWASP 相机出现问题或观测条件不佳等明显的罪魁祸首。无论它是什么，导致 J1407 神秘变暗的源头都不在地球上。
我们很快得出结论，一定是某个非常快且非常大的物体正在遮蔽 J1407 并使其闪烁。亮度波动速度表明，遮蔽物体以每秒 30 公里的速度在恒星表面前方飞驰，但凌日本身持续了 56 天！如此长的持续时间意味着该物体的大小约为 1.8 亿公里。
对于如此巨大的结构，合理的解释只有这么多。我们逐一考虑，然后否定了它们。会不会是靠近恒星运行的尘埃带？不，J1407 周围没有你期望从温暖的尘埃中看到的那种明显的红外光芒。这会不会是一个双星系统，一颗巨红星遮蔽了一颗较小的伴星，如白矮星、中子星或黑洞？不，这种系统往往比我们看到的发出更多的 X 射线，而且 J1407 似乎不是一颗巨星。闪烁会不会是地球和恒星之间深邃的星际空间中漂浮的某个物体的阴影造成的巧合，或者 J1407 可能是一个复杂的三星系统，有一个 1.8 亿公里宽的遮蔽伴星？不，这些可能性都不符合数据。最终，与所有观测结果一致的最简单的解释也是非常奇怪的：光变曲线中的下降可能是由一个比土星大 200 倍的巨大环系统造成的，该环系统围绕着一颗未被发现的行星运行，这颗行星在 2007 年从 J1407 和地球之间经过。
但是我们为什么认为这是一个环系统呢？光变曲线中最引人注目的特征是可以在所有时间尺度上看到的细节水平——凌日持续了 56 天，但在短短 20 分钟内就能看到快速变化。这些速度暗示巨大的遮蔽物体具有大量的子结构，而光变曲线大致对称的形状表明该物体具有圆形或椭圆形几何形状——非常像我们熟悉的土星环系统。如果我们是对的，那么这个巨大的行星环将是我们在太阳系外发现的第一个。
搜寻行星
如果这真的是一个巨大的环系统，那么 J1407 周围一定有一颗巨大的行星来束缚这些环。因此，我们开始寻找这颗行星，我们称之为 J1407b，使用了地球上两个最大的天文台——夏威夷的 10 米凯克 II 望远镜和智利的 8.2 米甚大望远镜上的先进仪器。
即使是最大、最亮的行星也比它们的主恒星暗淡得多，也更难看到。但 J1407 对于一颗恒星来说非常年轻。鉴于其估计年龄——仅 1600 万年——围绕它的任何气态巨行星仍会在红外光中发出明亮的光芒，这来自其形成的热量。根据 J1407 与我们的距离，其预测的伴星在通过强大的望远镜观察时，看起来与恒星的距离仅约 50 毫角秒——相当于在月球表面看到的足球场球门柱之间的距离。虽然具有挑战性，但这种观测完全有可能实现。
两年来，我们一直在努力拍摄这颗行星的图像，同时寻找由那颗看不见的绕行世界的前后拉扯引起的恒星运动中明显的周期性偏移。我们还招募了一个由专业和业余天文学家（包括美国变星观测者协会）组成的网络，每晚监测 J1407 的亮度，寻找预示着另一次凌日开始的变暗。
我们一无所获。这个结果并不意味着这颗行星不存在；即使它比木星重 12 倍，我们也很容易错过它。我们也可能在错误的时间观察，当时行星会在其恒星后面，我们看不见它。即便如此，这些零探测确实使我们能够排除一些低质量伴星作为 J1407 变暗的原因。
揭开星环
尽管存在不确定性，我们仍然勇往直前，试图推测我们怀疑在 J1407b 周围盘旋的星环的结构。几个月来，我们的团队开发了计算机模型，从 J1407 的光变曲线中提取有关星环构成和三维结构的信息。
站在白板前与几位同事讨论这个问题时，我们突然有了一个顿悟：即使我们不知道各个环的确切数量和位置，光变曲线倾斜段的陡峭程度也可以为我们提供有关环系统整体几何形状的线索，例如它与恒星的对齐方式。利用这一额外的信息，我们现在可以完成我们的星环计算机模型，并根据星环的许多不同的假设倾斜角度生成合成光变曲线。果然，我们测试的一种配置与我们在 J1407 数据中看到的独特下降和锯齿相匹配！
有了这些知识，我们绘制了环系统的地图，将光变曲线的每个部分与行星 J1407b 的不同环距离相匹配。每次光变曲线的斜率发生变化时，这种切换都标志着一个环的凌日的开始或结束。计算光变曲线中的所有这些点，我们看到了至少 24 个环——尽管考虑到偶尔不良观测条件造成的数据空白，我们估计该系统更有可能至少有 100 个环。
我们很幸运能在 J1407b 环系统演化的这个阶段看到它。为了理解原因，请考虑我们熟悉的土星以及它的环系统是如何随着时间演变的。其环的固体外观实际上是一种错觉。它们由冰粒子组成，这些冰粒子在行星周围进行圆形轨道运动。这些粒子聚集在一起，受到在环内及其外缘附近轨道运行的小卫星——卫星仔——的塑造。人们认为土星曾经拥有更大的环，但系统外缘的小粒子通过它们的相互引力聚集在一起，在一个失控的过程中形成了我们现在熟悉的一些土星卫星。这种景象既美丽又转瞬即逝——任何观察者都必须非常幸运地生活在宇宙时间的正确切片中才能看到它。
就像很久以前的土星环系统一样，今天的 J1407b 环系统似乎也处于过渡期。我们的模型表明，该系统包含一个很大的间隙，可能是由天文学家以前从未见过的东西形成的：一颗卫星——一颗新生系外卫星——围绕 J1407b 运行。我们的计算表明，这颗卫星需要将近两年时间才能绕 J1407b 运行，并且可能具有火星的质量。尽管这个大间隙本身并不能构成明确的系外卫星探测，但如果 J1407b 及其环系统的存在得到证实，那么这个间隙将是迄今为止证明这些难以捉摸、长期寻求的物体存在的最佳证据。
这个奇异、动态系统的初步图景简直是壮观的。从星际空间飞来，你会看到主恒星的眩光几乎压倒了其较冷（但仍然炙热）行星的暗淡光芒。从上方接近这颗行星，人们会看到环像明亮的涟漪一样在黑暗的太空背景中扩散开来。环绕着碰撞产生的碎片扇，环平面上将充满起伏的团块物质波浪。其中一些波浪会在两个环之间最大的团块——火星大小的卫星产生的巨大间隙处断裂。
如果这颗卫星的轨道略微偏离环平面，那么站在它的表面，你就会看到周围的环在整个天空向你拱起。如果这颗卫星拥有大气层，那么当 errant 环粒子穿过时，会因摩擦生热而燃烧，使天空充满壮丽的流星雨。在头顶上，行星 J1407b 会像一颗小宝石一样镶嵌在来自其广阔星环的散射光芒中，星环上布满了黑暗的云带，像燃烧的煤炭一样发光。
然而，这个系统为天文学家提供的不仅仅是美丽的风景。围绕恒星近距离运行的气态巨行星是太阳系外最容易探测到的世界之一，但由于缺乏固体表面，它们为我们所知的生命提供了糟糕的前景。围绕这样一颗行星运行的大卫星将完全不同，因为它可能提供相对适合生命生存的岩石、含水表面。如果我们的太阳系可以作为参考，那么我们的星系可能充满了绕巨行星运行的数万亿颗大卫星。证明系外气态巨行星周围存在卫星将极大地扩展生命可能存在的地方的可能性。
多年来，一小部分研究人员一直在热切地寻找系外卫星，主要是通过它们可能对其母行星运动产生的间接影响。凌日行星会精确且周期性地使它们的主恒星变暗，但一颗看不见的大型系外卫星的质量会导致原本有规律的凌日时间表出现额外的漂移。哥伦比亚大学的大卫·基平（David Kipping）等天文学家对系外卫星进行了深入搜索，在 NASA 的行星搜寻开普勒卫星发现的凌日世界的变光曲线中寻找这种特征。到目前为止，他们还没有发现系外卫星。但 J1407b 可能存在的卫星表明，这些持续不断的搜索不会长期毫无结果。
然而，就目前而言，行星及其卫星都只是假设。地球上最大的望远镜和最灵敏的仪器尚未能够找到确凿的证据来无可辩驳地证实它们的存在。相反，这些证据可能来自过去多年使用更粗糙技术收集的档案数据——例如哈佛-史密森天体物理中心的一个馆藏。
回到未来
该中心接待了许多研究人员，其办公室和走廊里挤满了埋头研究来自太空望远镜的数据、撰写论文、运行模拟和参加讲座的人们。离这座熙熙攘攘的大楼仅几米之遥的是哈佛玻璃板堆栈馆，它位于一个安静的砖墙附属建筑中，很少有人涉足。在一个侧翼，长长的架子上堆满了装有大型纸质信封的堆栈，这些信封堆满了三层楼的墙壁，一直延伸到天花板。你可能会认为这是一个二手唱片店，但这些信封里装的不是黑胶唱片，而是来自各个天文台的超过 50 万张底片——占世界所有天文底片的四分之一。它们记录了一个世纪的夜空观测。
这些底片现在正在被哈佛天空世纪数字化访问项目扫描，该项目旨在数字化并上传存储在这些脆弱玻璃幻灯片上的所有数据。我们已经确定 J1407 出现在大约 700 张底片上，这些底片是在 1901 年至 1984 年拍摄的图像中。借助这些底片的数据，我们将能够搜索更多凌日事件，以便我们了解下一次凌日事件何时发生。
目前，我们最好的猜测是它将在未来十年内的某个时候发生。与此同时，我们仍在寻找行星及其环的明确证据，敬业的天文学家几乎每晚都在监测 J1407。他们正在寻找当最外层环开始穿过恒星时引起的星光下降。当这种情况发生时，可以进行许多观测以更详细地研究这些环。当星环移动到恒星前方时，我们可以使用世界上最大的望远镜上的光谱仪来收集一些穿过星环周围的星光，以辨别它们的化学成分以及该成分如何随与 J1407b 的距离而变化。最令人兴奋的是，J1407 是一颗从南半球可见且易于观测的相对明亮的恒星——使用小型望远镜的天文学家可以实时跟踪恒星的亮度波动，从而提供来自世界各地的 24 小时连续覆盖。
我们对 J1407b 巨环的深入研究仅仅是更广泛的太阳系形成方式系列研究的开始。人们认为，新生巨行星会产生环行星盘，这些环行星盘会凝结成卫星和环，我们预计很快就会通过它们肯定会在星系中投下的阴影探测到更多此类系统。既然我们知道要寻找什么，那么寻找更多像 J1407b 周围那些被认为存在的巨环系统和系外卫星的竞赛就开始了。我的同事和我已经在新的数据库中搜寻其他系统中带有环的行星的蛛丝马迹。土星华丽的环系统可能很快就会面临来自其他恒星周围环系统的激烈竞争。