地球上的日落已经很美了，想象一下，如果拥有双重日落，不同颜色的恒星投射出橙色和红色的移动阴影，会是怎样一番景象。 多年来，我们两人一直在思考，成对的或“双星”恒星是否能够支持行星的存在。像《星球大战》中虚构的塔图因星球那样的世界，天空被两颗不同太阳的光芒照亮，真的存在吗？
天文学家有理由认为这样的系统可能存在，但一些理论家对此持不同意见。他们认为，双星周围的环境对于行星形成来说过于混乱。与围绕单颗恒星运行的天体不同，围绕双星运行的行星将不得不应对两个引力场。而且由于恒星本身也相互绕行，引力的强度会不断变化。即使行星能够在如此动态的环境中形成，其长期稳定性也无法保证——行星最终可能会被抛射到深空中，或撞向其中一颗恒星。对双星系统的观测已经显示出这些“环双星”行星的一些间接证据，但直接证据仍然难以捉摸。
威廉·博鲁茨基和他的合作者为了发射一颗寻找系外行星的航天器，努力了二十多年，终于在 2009 年 3 月取得了成果。美国国家航空航天局的开普勒任务已被证明非常成功，通过凌星法迅速揭示了数百个，然后是数千个行星候选者。凌星法是搜索行星在恒星前方运行时发生的微型日食，阻挡了恒星的部分光线。但在两年后，仍未探测到环双星行星。缺乏证据的挫败感开始让人感到沮丧。在 2011 年春季的一次开普勒每周电话会议上，我们中的一人试图用黑色幽默来缓解气氛：“也许我们应该写一篇论文，说明为什么它们不存在。” 随之而来的是一片沉默。
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我们的担忧是多余的。在那次谈话后的六个月内，我们举行了一次新闻发布会，宣布发现了第一颗凌星环双星行星。这颗行星被称为开普勒-16b。几个月后，开普勒食双星工作组又发现了两颗环双星行星（开普勒-34b 和开普勒-35b），表明尽管这种系统很奇特，但并非罕见。一个新的行星系统类别已经确立。目前已知的开普勒环双星行星有七颗，这个数字在短期内可能会翻一番。事实上，计算表明，银河系中可能存在数千万颗这样的行星。
搜索策略
对环双星行星的探索始于 20 世纪 80 年代，甚至早于天文学家发现我们太阳系之外的任何“系外行星”的第一个证据 [参见劳伦斯·R·多伊尔、汉斯-约尔格·迪格和蒂莫西·M·布朗合著的《寻找其他地球的阴影》；大众科学，2000 年 9 月，以及其中的参考文献]。尽管在双星系统中凌星可能要复杂得多，但对发现此类系统的希望是由一个简单的期望所驱动的：如果一颗行星确实围绕一个食双星系统运行，我们预计它会与恒星本身在同一轨道平面上运行。换句话说，如果我们从地球上的视角观察到恒星相互掩食，那么行星就更有可能掩食一颗或两颗恒星。这假设行星和恒星具有共面轨道，这是一个合理的假设——也是一个可以检验的假设。
食双星在许多方面都是恒星天体物理学建立的基础。它们沿着我们视线的特殊方向意味着恒星每次轨道运行时都会在彼此前方经过，阻挡一部分光线。通过精确地模拟光线在食期间如何变暗，我们可以了解恒星的大小和形状以及它们轨道的几何形状。结合其他测量方法，我们可以测量恒星的半径和质量。因此，食双星提供了恒星质量和半径的基本校准，而这些校准又用于估计非食星和单星的恒星属性。
如果双星系统中的两颗恒星相距很远，例如轨道周期为数百年，那么恒星几乎不会相互影响，它们的行为几乎就像是孤立存在一样。行星可以围绕其中一颗恒星运行，并且通常不会受到另一颗恒星的存在的影响。这些被称为拱星或 S 型行星，在过去十年中已经发现了数十颗这样的行星。
当恒星彼此非常靠近，以至于它们只需要几周甚至几天的时间才能相互绕行时，事情就会变得更加有趣。对于如此双星系统中的行星来说，要拥有稳定的轨道，它必须围绕两颗恒星运行，而不仅仅是一颗。数值计算表明，行星与恒星的轨道距离必须大于最小临界距离；如果太近，旋转的双星系统会破坏行星轨道的稳定性，要么吞噬它，要么将其抛射到星系之外。最小稳定距离大约是恒星之间距离的两到三倍。这些类型的行星被称为环双星或 P 型行星。虽然围绕单星以及在广阔分离的双星中围绕单颗恒星的行星很常见，但我们想知道自然界是否可以在环双星配置中制造行星系统，即行星围绕两颗恒星运行。
在一个简单的单星、单行星系统中，凌星会以节拍器的周期性发生，这极大地有助于它们的探测。但是，如果再增加一颗恒星，这个三体系统就会开始显示各种复杂的效应。复杂性产生的原因是恒星快速移动——这与单星系统（恒星实际上是静止的）形成对比。事实上，由于两颗恒星彼此之间的距离比它们与行星之间的距离更近，因此它们必须比行星围绕它们运行的速度更快地相互绕行——这是约翰内斯·开普勒著名的行星运动定律的体现。因此，行星将凌星一个快速移动的目标，有时它会提前穿过恒星，有时会延迟穿过恒星。虽然可以精确预测（如果质量和轨道已知），但凌星不会是周期性的。此外，凌星的持续时间会根据行星相对于被凌星的恒星的相对运动而变化——如果它们朝同一方向移动，则凌星的持续时间会更长，但当恒星在其轨道的另一半并朝另一方向移动时，凌星的持续时间会更短。这些变化使得探测环双星行星变得困难，但它们也提供了一个重要的好处：一旦双星的轨道被破译，凌星时间和持续时间的变化模式就可以用来明确地确认环双星天体的存在。没有其他天文现象表现出这样的模式。这是环双星天体的独特特征——一个确凿的证据。
首次探测
直到今年早些时候出现技术问题使其停止运行之前，开普勒号一直将其目光对准天空中的一块区域，寻找行星在宿主恒星前方穿过时引起的特征性变暗现象。在寻找行星的过程中，开普勒号还发现了 2000 多个新的食双星系统。还发现了一些奇特的系统，包括第一个已知的食三星系统。
2011 年，我们中的一位（多伊尔）与罗伯特·斯拉夫森（Robert Slawson）合作，在加利福尼亚州山景城的 SETI 研究所与他一起工作，注意到在名为 KIC 12644769 的双星中出现了额外的食事件。这两颗恒星每 41 天相互掩食一次，但还有其他三个无法解释的食事件。前两次事件相隔 230 天发生。下一次事件发生在 221 天后——比预期提前了 9 天。这正是人们会从环双星行星中获得的信号。
因此，这些凌星事件提供了第三个天体围绕双星运行的证据。但这可能只是一颗暗淡的小恒星掠过大恒星的一部分——正如开普勒号向我们展示的那样，这样的三星食系统并非特别罕见。轻微的变暗表明该天体可能具有较小的半径，但像棕矮星这样的恒星状天体也很小，因此我们无法确定该天体是否是一颗行星。我们必须测量它的质量。
在三体系统中，双星的未见伴星可以通过两种主要方式使其存在为人所知。想象一下两颗恒星相互掩食，一颗相对较大的行星在较远的地方围绕双星对运行。双星相互绕行，但此外，双星对的质心也围绕三体系统的质心运行。因此，有时双星会稍微靠近地球；有时，它们会离地球更远。当它们离我们更远时，来自恒星的光需要更长的时间才能到达我们，并且食事件会稍微晚一些发生。当恒星离我们更近时，食事件会提前发生。第三个天体的质量越大，变化就越大。因此，这种周期性的光行时效应使人们能够推断出任何未见天体的存在并估计其质量。此外，第三个天体离双星越远，效果就越明显，因为增加的距离将起到杠杆作用，但距离越远，周期时间就越长。在我们的候选环双星行星的案例中，在 230 天左右的时间尺度上没有可检测到的食计时周期性变化，这意味着隐藏的天体质量很小。但有多小呢？
第三个天体影响双星的另一种方式是通过直接的引力相互作用，称为动力学效应。对于更近的天体，这种方法比光行时效应更重要。未见的伴星稍微改变了双星的轨道，这些变化可以通过食事件发生时间的变化来捕捉到。由于较小的恒星更接近第三个天体，因此其轨道会受到更大的扰动。与光行时效应不同，动力学效应会以复杂的方式改变食事件的时间。
我们在开普勒科学团队的一位同事，现在在芝加哥大学的丹尼尔·C·法布里基注意到，恒星质量的天体会强烈影响食事件的时间，而行星会产生更微妙但可能可测量的信号。对于这个系统来说，动力学效应应该比光行时效应强得多。我们寻找并随后发现了食计时的变化，揭示出对恒星的拉力远不及恒星质量的伴星会产生的影响。
调查的最终高潮是由哈佛-史密森天体物理学中心的约书亚·A·卡特提供的，他能够创建一个复杂的系统计算机模型。该模型与行星质量类似于土星的行星的完整数据集完美匹配。观测结果和模型之间的完美匹配证明了行星的存在，并为系统的半径、质量和轨道特征提供了极其精确的值。
这颗行星被命名为开普勒-16b，是第一颗被发现的凌星环双星行星。凌星现象和明显的动力学效应的结合使得这次探测结果毋庸置疑。由于从这颗行星上看，双星会像太阳大小的圆盘一样，因此开普勒-16b 很快就获得了来自《星球大战》中虚构行星“塔图因”的昵称，以及其标志性的双重日落景象。科幻小说变成了科学事实。
行星的新类别
开普勒-16b 最初看起来是一颗非常奇怪的行星。它的轨道非常靠近它的宿主恒星，仅比轨道稳定所需的最小临界距离远 9%。而且由于这是当时唯一一颗凌星环双星行星，我们问自己：开普勒-16b 只是一个侥幸吗？
幸运的是，答案很快就来了。我们与圣地亚哥州立大学的杰罗姆·A·奥罗兹合作，已经开始搜索不凌星其恒星的环双星行星。这些应该比凌星的情况更常见，因为不需要行星轨道与恒星的特殊对齐来产生凌星。如前所述，食计时的微小变化应该会揭示出这样的行星。我们已经进行了几个月这方面的研究，并确定了一些候选系统。然后在 2012 年 8 月的一个星期二下午，我们中的一位（威尔士）注意到其中一个双星系统中出现了凌星现象。在几个小时内，法布里基创建了一个计算机模型，再现了可变的凌星时间和持续时间，确认了凌星天体是一颗行星。我们发现了开普勒-34b。第二天，奥罗兹马不停蹄地在另一个食双星系统中发现了凌星现象，它也孕育着一颗行星——开普勒-35b。
在接下来的几个月中，奥罗兹继续发现了开普勒-38b，表明也存在较小的海王星质量的环双星行星，然后是开普勒-47 行星系统，该系统至少有两颗行星，表明双星可以孕育多颗行星。最近发现的环双星行星开普勒-64b（也称为 PH1）是由约翰·霍普金斯大学研究生韦塞林·科斯托夫和作为行星猎人项目一部分工作的业余天文学家同时独立发现的。它是四星系统的一部分，进一步扩展了行星可以形成的地方的多样性。
迄今为止发现的七颗环双星行星告诉我们，这些天体并非极其罕见，而是我们发现了一个全新的行星系统类别。对于探测到的每个凌星行星系统，几何学告诉我们，大约有 5 到 10 颗行星是我们看不到的，因为它们没有正确的方向，无法从我们的有利位置在双星前方经过。鉴于在搜索的大约 1000 个食双星中发现了七颗行星，我们可以保守地估计，银河系是数千万个此类环双星行星系统的家园。
迄今为止，所有开普勒凌星环双星行星都是气态巨行星，是没有岩石外壳的世界，宇航员无法站在其表面上欣赏双重日落。对较小的岩石行星的搜索仍在继续，尽管地球大小的环双星行星将极其难以探测。
但即使是如此小的行星样本，也出现了一些有趣的问题。例如，所有开普勒食双星中有一半的轨道周期小于 2.7 天，因此我们预计一半带有行星的双星的周期也小于 2.7 天。但它们中没有一个是这样的；最短的轨道周期是 7.4 天。为什么？我们推测这可能与最初将恒星拉得如此之近的过程有关。
此外，行星倾向于非常靠近它们的恒星运行。如果它们离得更近，行星的轨道将不稳定。那么，是什么导致它们如此危险地生存？了解为什么环双星行星如此靠近其临界不稳定性半径运行将有助于我们改进关于行星如何形成以及它们的轨道如何随时间演化的理论。
尽管我们不知道为什么这些行星似乎偏爱如此不稳定的轨道，但我们仍然可以推断出一些深刻的东西：行星可以如此靠近混乱环境生存的发现告诉我们，行星形成是充满活力和稳健的。
动态宜居带
开普勒环双星行星倾向于位于临界稳定性半径附近，这有一个有趣的后果。对于开普勒恒星样本，临界半径通常接近宜居带——恒星（或在本例中为两颗恒星）周围的区域，该区域的能量使行星的温度恰到好处，足以让水以液态形式存在。离恒星太近，行星上的水就会沸腾；离得太远，水就会结冰。而水是生命存在的先决条件，就我们所知而言。
对于单颗恒星，宜居带是围绕该恒星的球壳区域。在双星系统中，每颗恒星都有自己的宜居带，如果恒星足够靠近，它们会合并成一个扭曲的椭球体，开普勒环双星行星的情况就是如此。随着恒星相互绕行，组合宜居带也随恒星一起旋转。由于恒星的绕行速度快于行星，因此宜居带的摆动速度比行星的轨道运行速度更快。
与地球围绕太阳的近圆形轨道不同，环双星行星到其宿主恒星的距离在一个行星年的过程中可能会发生根本性的变化。因此，行星季节可能会在短短几周内兴衰，因为恒星彼此围绕旋转。这些气候变化可能是巨大的且仅是准规律性的——奥罗兹指出，“这将是一次疯狂的旅程。”
在已知的七颗凌星环双星行星中，有两颗位于其系统的宜居带中，这是一个非常高的比例。虽然位于宜居带中并不能保证适合生命存在的条件——例如，月球位于太阳的宜居带中，但由于其质量太小，无法保持大气层，因此仍然荒凉得令人难以想象——但环双星行星在其宜居带中比例很高，这确实让人不禁停下来思考。环双星世界的气候变化剧烈而迅速，生命，甚至文明，会是什么样子？