我们现在已经知道数千颗行星围绕其他恒星运行。很可能，还有数千亿颗行星将银河系称为家园。许多已知的“系外行星”是巨大的气体世界，如木星或海王星——对生命来说是充满敌意的地方。但像我们太阳系的那些巨行星一样，遥远的系外行星也可能拥有大型卫星。如果它们确实有卫星，那么卫星——而不是行星——可能是宇宙中最常见的生命家园。
近年来，搜寻系外行星卫星（系外卫星）的前沿阵地之一是哈佛-史密森天体物理学中心的地下室，在一间阴暗的房间里，房间里排列着装在金属网笼中的计算机。英国天文学家大卫·基平提高嗓门盖过冷却风扇的机械嗡嗡声，他指出，几乎所有这些计算能力目前都用于分析一颗行星，即开普勒-22b，它围绕一颗类似太阳的恒星运行，距离地球约 600 光年。这个遥远的世界以美国宇航局的行星猎手开普勒太空望远镜命名，正是它首次发现了这颗行星。基平希望，在更仔细的检查中，最初揭示开普勒-22b 存在的数据也可能泄露卫星伴星的更微妙信号。他称他的项目为开普勒系外卫星搜寻计划，或 HEK。
基平的项目可以说是当今最先进的系外卫星搜寻计划。基平说，之所以需要强大的计算能力，是因为即使是最大的系外卫星也只会在数据中留下微弱的信号。因此，他只在精心挑选的目标子集中密集搜索系外卫星的证据。他可能找不到像快速搜索大量目标那样多的系外卫星，但“我不确定我会相信那些结果，”他说。“我们的目标是获得清晰、可靠的探测结果，让每个人都能认同。”
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他有理由保持谨慎。任何关于发现系外卫星的声明都将引起争议，不仅因为这项工作很困难，而且因为这一发现可能具有深远的意义。例如，基平解释说，开普勒-22b 位于其恒星的宜居带，即液态水可能存在的区域。这颗行星非常大，很可能是一个不适宜居住的、气体笼罩的球体，而不是像地球这样的岩石、类地世界。然而，如果开普勒-22b 有一颗巨大的卫星伴星，那么这颗卫星可能是一个宜居的好地方，并且可能是未来天文搜寻地外生命和智能的目标。
“卫星可能是宜居的，”他说。“如果这是真的，那么那里存在生命的机会比任何人之前意识到的都要多得多。”
制造卫星
许多天文学家（以及科幻小说作家）长期以来一直认为，其他行星系统会像我们自己的行星系统一样，有大量的冰卫星围绕寒冷、巨大的世界运行，类似于我们在木星和土星周围看到的排列。然而，随着 20 世纪 90 年代首次发现系外行星，新的可能性出现了；行星猎手开始发现气态巨行星，这些行星在外部黑暗中形成后，不知何故迁移到更近、更热的恒星轨道上。有些甚至占据了恒星的宜居带。这种定位提出了一个问题：那些温暖的巨行星周围的一些卫星是否可能具有岩石成分、保护性大气层和像地球一样的海洋？
宾夕法尼亚州立大学的三位研究人员——达伦·威廉姆斯、吉姆·卡斯廷和理查德·韦德——是第一个详细研究系外卫星拥有类似地球环境的可行性的人。他们于 1997 年在《自然》杂志上发表的研究询问，一颗宜居带卫星必须有多大才能维持大量的大气层和地表液态水。“我们发现，小于火星的卫星，大约是地球质量的十分之一，无法将大气层保持超过数百万年，”威廉姆斯说。低于该阈值，卫星将不会产生足够的引力来维持大量的大气层。这种太小的卫星的大气层会在附近恒星的辐射中沸腾蒸发。
问题是，像类地行星一样大的卫星似乎不太容易建造。天文学家认为，大多数卫星的形成方式与行星的形成方式大致相同——逐渐从旋转的气体、冰和尘埃盘中凝聚而成 [见下图]。大多数关于这种逐块式月球组装的计算机模拟都难以产生比木星的木卫三更大的东西，木卫三是我们太阳系设法制造的最大卫星。根据 1997 年的研究，这样的卫星需要增大四到五倍才能保持永久性大气层。
图片来源：Ron Miller
幸运的是，大自然已经设计出其他制造大型卫星的方法。例如，地球的卫星太大了，无法与我们的行星一起从共享的气体和尘埃盘中静止地形成。许多天文学家认为，相反，我们的地月系统是在我们太阳系早期的一场灾难性碰撞中形成的。冥王星及其最大的卫星卡戎被认为是另一对碰撞形成的组合，尽管规模小得多。这些组合可以解释其他类型的卫星。在所谓的双星交换反应中，一颗巨行星遇到一对双星，捕获其中一颗作为卫星，而另一颗成员被抛入太空。这种交换在我们太阳系中至少发生过一次：海王星最大的卫星海卫一的轨道很奇怪，它以与巨行星自转相反的方向移动。天文学家认为海卫一是海王星很久以前撕裂的一对双星的残留物。
这些大型卫星即使围绕位于恒星宜居带之外的行星运行，也可能支持液态水——从而支持生命。额外的热量可能来自宿主行星反射的光和发出的热，以及行星的引力。正如月球在地球海洋中引起潮汐一样，气态巨行星的引力拖曳可能会将潮汐能传递到附近的卫星，使卫星内部弯曲并充满摩擦热。这种效应类似于通过在手中来回弯曲金属回形针来加热它。事实上，根据德国哥廷根马克斯·普朗克太阳系研究所的勒内·海勒和华盛顿大学的罗里·巴恩斯的研究，如果一颗卫星离它的气态巨行星太近，它可能会经历如此多的潮汐加热，以至于它的大气层沸腾蒸发或融化成一个发光的炉渣球。在更宽的卫星轨道上，适量的潮汐加热可以使卫星保持舒适的温暖，即使行星远离恒星的温暖光线。
潮汐力也可能改变卫星的轨道，使其永远只向宿主行星展示一个半球，就像月球对地球所做的那样。海勒说，想象一下这种潮汐锁定的世界的夜空，会产生一幅非常奇怪的景象。“例如，想象一下站在潮汐锁定卫星的面向行星的半球，”他说。“行星会非常巨大，并且不会在天空中移动。在卫星的‘中午’，这对应于其轨道上恒星在天空中最高的点，恒星会经过行星后面，并且不会有来自行星的反射光。您会看到周围的星星，但只有头顶正上方的黑色圆盘。在‘午夜’，当卫星的轨道将恒星带到您脚下时，行星被照亮的面会从新月形变为会聚成一个完整的圆形，并且您会获得所有反射光。因此，在午夜，您的天空会比中午亮得多。”
搜索策略
理论上，足够大的卫星可以保持大气层，这应该在开普勒卫星的数据中可见。自 2009 年发射到 2013 年陀螺仪问题缩短任务以来，开普勒一直不停地凝视着天空中的一块区域，持续监测超过 150,000 颗目标恒星的亮度。它通过探测凌星来搜索行星：当行星穿过其太阳表面时，投向我们太阳系的阴影。每次凌星都表现为恒星“光变曲线”中的一个明显的、重复出现的下降，即其亮度随时间变化的图。
开普勒在其主要任务中发现的最小行星开普勒-37b 非常小——仅略大于地球的卫星。基平认为，如果开普勒能够找到卫星大小的行星，那么它也应该能够找到行星大小的卫星。
然而，尽管基平正在梳理开普勒的数据以寻找它们的迹象，但他既不是开普勒团队的成员，他的项目也不隶属于美国宇航局的任务。事实上，任何人都可以做他正在做的事情：开普勒数据是公开可用的。天文学家和业余爱好者都已经通过筛选大量数据集发现了新的行星。基平的平民方法也延伸到了资金筹集——他在一个众筹网站上筹集了 12,000 美元购买 CPU，然后用它们建造了迈克尔·多兹计算设施，以最慷慨的捐赠者命名。
基平的搜索策略建立在引力相互作用的反直觉怪癖之上：从某种意义上说，卫星围绕行星运行，但行星也围绕卫星运行。更严格地说，行星和卫星实际上围绕一个共同的质心运行，因此当卫星围绕行星旋转时，行星会来回摆动。
想象一下，您正在观察一个遥远的卫星-行星系统。如果卫星摆动到行星的右侧，则行星（围绕相同的质心运行）将向左移动一点。现在想象一下，卫星-行星系统从左向右凌星穿过恒星表面。行星将位于它在没有卫星伴星情况下的位置的左侧。这种向左的偏移，在从左向右移动的行星中，可能会将凌星的开始时间延迟几分钟。在同一系统的下一次凌星中，卫星可能在其轨道的另一侧，稍微将行星的位置向右移动，并使行星的凌星提前几分钟。
除了这些凌星开始时间的偏移之外，环绕卫星还可以改变凌星的总持续时间。在多个轨道上展开，这种凌星属性波动的来回时间华尔兹舞是系外卫星的预期名片。
除了这些时间效应之外，足够大的卫星可能会阻挡恒星的光线，在其自身微小的下降中添加到凌星行星的信号中。行星-卫星的组合下降看起来很像普通行星的信号，只是偶尔卫星会直接从行星前面或后面经过。被遮蔽的卫星-行星系统不会阻挡那么多光线。天文学家可以使用这种变化来推断隐藏卫星的存在。
然而，搜索这些微妙效应中的任何一个都面临挑战。来自凌星系外卫星的微小星光下降很可能也是由更平凡的现象引起的。到目前为止，光变曲线的每一次调制都可以最好地用简单的东西来解释，例如恒星黑子、恒星波动和仪器误差。
更糟糕的是，单个时间签名可能由各种可能的行星-卫星排列产生，这些排列在卫星的大小及其轨道的周期和倾角等细节上有所不同。这种固有的不确定性使得仅通过时间很难描述任何给定的系外卫星。
然而，如果天文学家设法通过时间效应以及卫星在光变曲线中的下降来确定行星-卫星系统的轨道配置，他们就可以建立系统卫星、行星和恒星的质量。通过将这些质量与基于行星或卫星阻挡多少星光的大小估计值配对，天文学家可以推断每个物体的密度，从而创建一个了解行星及其卫星的组成、形成历史和潜在宜居性的窗口。通过仔细审查任何给定系统的凌星后的凌星，甚至更多微弱的细节都可以从那些星光波动中凝聚出来。
“令人惊叹的是，光变曲线中可以包含多少信息，”基平沉思道。“抬头看着星星，这些夜空中闪烁的光点，并知道我们能够进行这种简单的亮度测量，并将其转化为所有这些更复杂的信息，真是令人难以置信地满足。”在我们谈话两年后，基平搬到了哥伦比亚大学，继续他的系外卫星搜索。
为了梳理出围绕任何特定凌星行星运行的卫星的存在，基平的 HEK 项目首先做出猜测。如果一颗卫星围绕这颗特定的行星运行，光变曲线会是什么样子？HEK 算法从假设的虚拟行星-卫星系统中生成大量人工光变曲线，这些系统具有广泛的质量、半径和轨道差异。接下来，它在开普勒数据中搜索匹配项，逐渐逼近任何统计上合理的卫星信号。这种详尽的试错过程是 HEK 需要如此多计算能力的原因。这也是基平更喜欢从开普勒庞大的行星和候选者宝库中仔细选择最佳目标的原因。这些目标大多是低质量、海王星大小的世界，它们围绕着一颗类似太阳的宿主恒星相当近的轨道运行，在六个月或更短的时间内完成一次轨道圈。这样的行星将表现出伴随大型卫星的最清晰信号。今年 7 月，基平及其同事发现了他们迄今为止最好的系外卫星候选者开普勒-1625bi，它可能是一颗海王星大小的卫星，围绕一颗木星大小的行星运行，距离地球约 4,000 光年。哈勃太空望远镜的观测可能会在 2018 年初证实或驳斥这一候选者。
该项目还计划使用美国宇航局即将于 2018 年发射的凌星系外行星巡天卫星的数据，在红矮星周围寻找系外卫星，红矮星比我们太阳这样的恒星小得多、暗淡得多且数量更多。小尺寸意味着凌星行星将阻挡更高百分比的恒星总光量。相对较暗的输出将宜居带移近恒星；在那个半径轨道上运行的任何行星都必须快速旋转，从而为天文学家提供更多凌星来处理。“对我们来说，一切都随着这些恒星而变得更好，”基平说。“在最好的情况下，我们可能可以探测到质量小于地球质量五分之一的卫星。”
在最坏的情况下，HEK 将根本探测不到任何系外卫星，这种前景至少可以让基平和他的同事们设定有多少行星拥有大型卫星的上限。我们已经对不存在的东西有所了解。“如果有许多真正大的卫星，例如围绕木星大小的凌星行星运行的两倍地球半径的卫星，您只需用肉眼查看光变曲线，就可以看到卫星的影响，”佛罗里达大学天文学家埃里克·福特说。“因此，如果它在开普勒视野中，很有可能有人现在已经发现了它，或者正在紧追不舍。”经过进一步分析，基平的团队排除了早期调查的目标之一开普勒-22b 拥有大于地球大小约一半的卫星的可能性。
其他天文学家，如华盛顿大学的埃里克·阿戈尔，仍然怀疑开普勒当前的数据集是否可以提供可验证的系外卫星，特别是仅通过时间效应。“我的看法是，可信的探测将需要实际看到卫星的凌星，”阿戈尔说。“但这正处于开普勒可以做到的非常棘手的边缘。当然，大自然总是会给我们惊喜。”
尽管阿戈尔对此表示怀疑，但他承认他和一些其他合作者正在进行他们自己的非官方搜索，与 HEK 相比，该搜索使用较少密集的计算来寻找更多明显的效果，在更多的开普勒光变曲线中。“我的感觉是我们的搜索应该围绕每一颗已被探测到的行星进行，在合理范围内，”阿戈尔说。
卫星透镜
基平指出，卫星可以通过多种方式增加生命的机会。例如，他说，如果没有卫星，地球的气候和季节可能会大相径庭，因为在天文时间尺度上，卫星有助于稳定我们星球的倾斜度。更重要的是，在月球螺旋式地向外移动到其目前与我们世界的轨道距离之前，它对早期地球产生的巨大潮汐效应可能在生命的起源和繁荣中发挥了至关重要的作用。
“当我们在宜居带中发现一颗地球大小的行星时，首先要问的问题之一是，‘好吧，它有卫星吗？’”基平说。这个问题的答案将有助于确定一颗行星是真正的地球孪生体，还是仅仅是一个有模糊亲缘关系的表亲。“我想知道我们自己的地球是侥幸，还是像它这样的东西真的很常见，”他补充道。“样本量为 1，我们真的无法知道答案。如果我们在太阳系外找到一些，我们会有一个更好的主意。”
通过正确类型的天文望远镜，即远远超出开普勒能力的望远镜，系外卫星可以做的远不止简单地标示一颗围绕附近恒星运行的有希望的镜像地球。基平说，地面或太空中的足够大的望远镜可以调查那个遥远世界的大气层，寻找生命的标记，例如充满我们星球天空的氧气。
基平还认为，一些系外卫星可以用来绘制其宿主行星表面的地图。天文学家已经通过仔细监测恒星亮度（当行星穿过其表面时）来使用凌星行星绘制恒星表面的地图。“当从地球上看，卫星从行星前面经过时，您会获得相同的机会，但现在您正在观察行星的表面亮度，”他解释说。“因此，有可能使用非常复杂的东西，您可以开始绘制地球孪生体的陆地、其水的分布，所有这些都来自当卫星经过时，光变曲线如何改变形状。有时我认为这是我们获得任何类似于这些潜在宜居行星的照片的最可能方式。这可能是非常大的一块馅饼的第一块也是最小的一块。”