上个月，天文学家宣布首次发现多颗行星围绕一对恒星运行。双星系统，由两颗恒星围绕一个共同点运行组成，非常常见——大约一半的太阳大小的恒星被认为是双星系统的成员。但直到2011年，天文学家才报告了第一个被证实的双星系统实例，该系统甚至只有一颗行星。新发现的系统名为开普勒47，由一颗大小与太阳相近的恒星和一颗较小的伴星组成，两颗行星围绕它们运行。
之所以花费这么长时间才发现围绕双星运行的系外行星，并不是因为它们稀有，而是因为从地球的有利位置很难看到它们。开普勒47发现的数据来自开普勒太空望远镜，它绕太阳而不是地球运行，因此我们的地球不会阻挡它的视线。该航天器的任务是搜索恒星宜居带内的行星，希望能让科学家更好地了解有多少系统拥有可以支持生命的行星。
开普勒通过测量物体在其前方通过时引起的恒星亮度微小变化来探测系外行星，类似于六月份最后一次观测到的金星凌日。因此，开普勒只能找到轨道与它的视线对齐的行星。否则，从望远镜的角度来看，行星不会改变恒星的光线。因此，科学家们在可以找到多少这样的系统方面受到限制；遥远的恒星不会自行排列以提供更好的视野。加州大学圣克鲁兹分校的天体物理学家丹尼尔·法布里奇基（Daniel Fabrycky）是宣布这项发现的论文作者之一，他说：“关键是它没有什么特别之处；行星也可以在双星周围形成。”
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任何对天体运动的描述都始于经典物理学——特别是牛顿万有引力定律。该定律描述了一个物体对另一个物体施加的力。它指出，力与物体的质量成正比，与物体之间距离的平方成反比。由于力等于质量乘以加速度，因此可以使用这两种不同的力描述来编写微分方程组，该方程组将描述任意数量物体的运动。描述它们运动的问题称为n体问题，其中n代表系统中物体的数量。实际上，一旦给出了一堆物体的质量和速度，推导出方程并不太难。但只有二体问题才能得出明确的答案。其他n值的解必须通过数值方法找到，这会导致任意精确的近似值，而不是通过找到方程的通用解。
一个拥有两颗环绕行星的双星系统是一个四体问题。但是，法布里奇基说，在开普勒47系统中，这两颗行星比两颗恒星小得多，以至于它们的质量可以被假设为零。因此，对于这两颗恒星来说，四体问题变成了二体问题，因为行星对它们的牵引力不大。这个二体问题的解决方案是每颗恒星都在围绕这两个物体的质心做椭圆轨道运动。这些轨道被描述为开普勒轨道，因为约翰内斯·开普勒——文艺复兴时期的天文学家，该航天器以他的名字命名——首先注意到我们太阳系中的行星具有椭圆轨道，而不是圆形轨道。
（左图，模拟两颗大小相近的恒星围绕其质心（红色十字）做椭圆轨道运动。来源：Wikimedia Commons/Zhatt）
然而，在开普勒47系统中，两颗恒星彼此的轨道几乎是圆形的，并且恒星彼此非常靠近。它们的轨道周期约为7.5天，彼此之间仅相距约1300万公里。（作为参考，这大约是太阳和水星之间平均距离的四分之一。）研究人员使用多普勒光谱学确定了这些参数，多普勒光谱学测量发射的光，以确定较小的物体如何对较大的物体施加引力。
为了模拟行星轨道，研究人员使用了数值模型来找到最符合开普勒收集的行星凌日数据的轨道。内行星绕恒星运行大约需要49.5天，距离它们只有约4400万公里；外行星绕恒星运行大约需要303天，距离这对恒星的距离与地球到太阳的距离大致相同。这使得开普勒47的外行星处于宜居区域，液态水可能存在。凭借这样的位置，外行星可能会让人想起《星球大战》中的塔图因星球，但研究人员表示，这颗行星可能是一个气态巨行星，对于类似地球的生命来说，这不是一个宜居的环境。但法布里奇基指出，如果你乘坐热气球观察外行星的大气层，那么双重日落可能看起来像《星球大战》中的场景，两颗太阳在视野中非常接近。如果这颗行星有卫星，那么它就有很小的机会可以支持生命。
椭圆是对行星路径的良好近似，但它们并不完美，因为作用在行星上的引力并非直接来自两颗恒星的质心。法布里奇基说：“它们几乎是在椭圆轨道上运行，但由于恒星彼此环绕，它们会在椭圆轨道上稍微摆动。” 随着时间的推移，这些力将导致行星的轨道——以及这个遥远太阳系的形状发生演变。法布里奇基说，这个系统发生显著变化只需要大约一个世纪。（相比之下，在我们的太阳系中，这种变化需要数万年。）
展望未来，天体物理学家将继续使用望远镜搜索潜在的宜居行星，应用开普勒定律来描述它们的运动。法布里奇基预计，在未来几年，研究人员将宣布在单星和多星系统中发现更多系外行星。天文学家希望开普勒能够帮助他们找到关于我们宇宙的重大问题的答案。所有双星系统都是平面的吗？是什么不同的过程产生了行星？当然，还有其他人在那里吗？