寻找外星卫星的竞赛

2007年，一个自动化望远镜网络观测到一颗位于半人马座，距离地球约433光年的恒星。这颗恒星明显变暗，至少持续了54天，最微弱的光芒出现在4月29日左右。2012年，天文学家确定这颗恒星宿主着一颗巨大的、土星大小的气态行星，它被壮观的37个环阵列环绕。正如土星一样，这个被称为J1407b的世界在其环系统中存在一个空隙。科学家们认为，这个空隙可能表明存在一颗质量与地球大致相当的卫星。

直到20世纪末，已知行星只有与地球共享太阳的七个世界。这种情况随着1990年代后期的最早的系外行星发现而改变，并在2009年开普勒太空望远镜睁开“眼睛”后被彻底颠覆。我们现在知道，宇宙中布满了行星，行星的数量远远超过恒星，而且这些世界的尺寸、位置和类型几乎应有尽有。可以说，自从木星最大卫星的发现者伽利略·伽利雷以及惠更斯等天文学家时代以来，人类第一次以全新的眼光看待我们在宇宙中的位置。我们尚未找到一颗看起来像家园的遥远行星，也未证实系外行星被其自身的卫星环绕。但我们正在越来越接近。

早在21世纪初期，当天文学家开始观测到几颗系外行星在遥远的星光中闪烁时，就开始推测系外卫星的存在，自2018年以来的搜索已经发现了一些有希望的候选者。定位太阳系外的卫星将标志着我们宇宙视角的又一次重新调整。我们将了解卫星是普遍存在还是稀有；与它们的行星相比，它们通常是大还是小；它们通常是与其行星一起形成，还是在后来的灾难性事件中产生；以及它们是成群结队出现还是通常单独飞行。我们将能够理解我们的太阳系是否独一无二，以及地球及其孤独而巨大的卫星是否是孤立存在的。

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“每次我们看到一颗系外行星，我都认为它就像一面镜子，映照着我们自己的历史，”台湾中研院天文及天文物理研究所的博士后研究员亚历克斯·蒂奇说，他也是系外行星开普勒-1625b的一颗可能系外卫星的共同发现者。“我们在哪些方面是共同的，又在哪些方面是不同的？正如我们开始看到的奇异系外行星系统一样，我们在系外卫星方面也可能会感到惊讶。”

卫星的益处

在这个太阳系以及我们迄今为止所观察到的所有地方，地球仍然是独一无二的。它是已知唯一孕育生命的行星。它是唯一一颗其活跃的内部塑造其外部面貌的行星，以板块构造的形式呈现，而这个过程本身就在生命的传播和演化中发挥着作用。它是唯一一颗拥有足够厚的大气层以支持液态水、气候在数千年内保持稳定以及与太阳保持恰到好处的距离，使其保持温暖但不至于过热的行星。这些条件的存在至少部分归因于地球的卫星。

卫星在地球历史中的作用可以追溯到非常早期，大约45亿年前，当时一颗与今天的火星大小相当的行星与幼年地球相撞。这场灾难留下了炽热的、椭圆形的地球和一颗沸腾的卫星。从那时起，卫星一直在冷却并远离地球。随着卫星开始后退，地球变得更加球形，地壳在由此产生的潮汐力作用下弯曲。早期的地壳发生形变，可能导致了构造活动的开始。卫星的后退也减缓了地球的自转，使我们的一天每世纪延长近两毫秒。

卫星的重量相对于地球而言是显著的；我们行星的质量仅比我们的卫星大81倍，这个比率比太阳系中其他卫星的比率小得多。例如，土星的重量是土卫六泰坦的4200倍。卫星的引力保护着地球的轴心，使行星相对于太阳保持近乎恒定的23.5度倾斜。这种配置在数千年内保护着地球的气候，这与缺乏大型卫星的火星形成对比，火星的轴心每数百万年就会在零到60度之间极端摆动——这种变化会驱动剧烈的气候变化。卫星对地球潮汐产生主要影响，潮汐塑造着海岸线和海洋中的生命。我们卫星的潮汐最有可能在进化中发挥了作用，将第一批植物和四足动物从海岸的咸水沼泽引导到陆地上。

卫星不仅仅是一颗沉默的、幽灵般的卫星；它本身就是一个世界，自第一批有视觉的生物仰望天空以来，地球居民就一直在使用和思考它。没有卫星，地球就不会是地球。海洋、诗歌、宗教、科学，以及我们任何人也都不会存在。

如果地球独特的过去提供了任何序言，那么没有卫星的系外行星也可能与众不同。没有卫星的系外行星可能是毫无生气的岩石，注定要像火星一样在数千年里倾斜，经历冰冻或沸腾，并阻止大气层和生命的保持。系外卫星本身，如果它们存在，甚至可能比它们的行星更适合生命存在。寻找太阳系外生命可能需要关注有可能拥有卫星的行星，甚至卫星本身。

虽然惠更斯不可能知道，但他发现的土卫六泰坦，是一个橙色的雾霾球，点缀着甲烷和乙烷河流和湖泊，非常像行星。它对我们或任何我们能识别的生命来说都不宜居，但它包含液体和大气层，这意味着它包含着成分混合的机会和生命存在的机会。土星，以其强烈的引力和氨云，永远不会是生命的避风港；木星的情况也一样，它实际上是一颗半恒星，拥有荒谬的辐射带和对我们来说致命的气体层。但它们的卫星却不能这么说。

“因为我们的太阳系，我们知道木星可以拥有非常大的卫星，这些卫星可以拥有水，”安大略省西安大略大学的研究生克里斯·福克斯说。“如果你在恒星的宜居带中有一颗木星，你可能会看到一颗像地球一样的卫星，而且这颗卫星可能存在生命。考虑到[可能]存在的卫星数量，卫星上的生命可能比行星上的生命更常见。”

换句话说，系外卫星本身可能是宜居的，而且它们也可能帮助使其宿主行星宜居。找到它们将使我们更接近了解这些世界以及我们自己的世界。

一个有趣的候选者

早在开普勒望远镜看到第一缕光线之前，天文学家就怀疑宇宙中充满了世界及其卫星。1999年，现在都在巴黎天文台的保拉·萨托雷蒂和让·施耐德成为第一个提出使用凌星法搜索系外卫星的人。

如果从地球上看，恒星及其行星排列在一个平面上——就好像您从侧面而不是从顶向下看太阳系一样——恒星会在短时间内显得变暗，因为一颗行星移动到了它的前面。这种类似日食的正面经过被称为凌星。当凌星以有规律的时间表重复出现时，您通常可以确信是一颗轨道行星导致了亮度变暗。开普勒望远镜使用这种方法寻找行星长达十年。萨托雷蒂和施耐德认为，如果卫星在凌星时位于行星旁边，那么轨道距离其宿主行星较远的卫星也可以通过这种方式探测到。如果卫星的轨道离行星足够远，宿主恒星可能会比平时更暗，甚至可能会变暗两次。如果您在凌星期间站在行星上，对于距离较远的卫星，卫星的相位必须接近上弦月或下弦月；满月或新月，当卫星直接与恒星相对时，不会在行星的凌星中留下明显的凹痕。

即使系外卫星在其宿主行星附近轨道运行，使得二次变暗难以置信，天文学家仍然可以通过观察行星重复凌星模式随时间推移如何变化来探测卫星，萨托雷蒂和施耐德建议道。凌星通常以节拍器般的精确度重复出现。但有时它们会有点偏差，凌星开始或结束的时间比科学家预测的稍早或稍晚——这种效应称为凌星时间变化。这可能是因为其他行星绕恒星轨道运行并相互拉扯，但也可能是当行星宿主着一颗大型卫星时发生。

为了理解原因，了解地球卫星并非完全绕地球轨道运行是有帮助的。相反，两个天体都绕着它们的共同质心（称为质心）轨道运行。质心仍然位于地球上，因为行星比卫星质量更大。（确切地说，质心位于地球内部，在地幔中，偏离地球的引力中心。）因此，地球在绕太阳轨道运行时会非常轻微地摆动。这种摆动是萨托雷蒂和施耐德建议寻找的东西之一。

2017年，蒂奇和哥伦比亚大学的天文学家大卫·基平筛选了来自开普勒望远镜的数据，以寻找任何卫星干扰恒星光线的迹象。他们分析了大约300颗行星，希望能找到一个卫星群。他们只找到一个候选者：开普勒-1625b。

他们申请了哈勃太空望远镜的时间，并且当他们获得批准时感到惊讶，两人都回忆道。然后他们研究了哈勃数据一年，其中一部分时间用于学习如何使用它们。当基平和蒂奇完成他们的分析时，他们的哈勃观测结果表明，行星的凌星开始得比它应该开始的时间更早，这意味着一颗卫星在它旁边。在五年的数据中，行星的凌星时间变化了大约20分钟。“我们知道有东西在推动这颗行星转动，”基平说，“我们认为那是一颗卫星。”

蒂奇和基平在2018年初将他们的论文发布到预印本服务器上，最终于2018年10月发表在《科学进展》杂志上。他们说，证据支持开普勒-1625b周围存在一颗海王星大小的卫星，而开普勒-1625b本身是木星大小的许多倍。基平和蒂奇没有声称这是一项发现。“我认为人们对我们报告它的方式感到沮丧，”蒂奇说。“人们认为我们都想为一项发现获得荣誉，但同时也因为我们没有完全声称而有所保留。我理解人们的沮丧——它是在那里还是不在那里？但是有很多未知的未知数。”

在他们的初步宣布之后，其他天文学家立即加入了争论。德国哥廷根马克斯·普朗克太阳系研究所的天文学家勒内·海勒复制了蒂奇的部分发现，但发现卫星的证据不足。研究系外行星大气层的劳拉·克雷德伯格无法证实结果的关键部分。克雷德伯格现在是德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所新成立的系外行星大气物理学系主任，她回忆起在蒂奇的论文发表几个月后与蒂奇进行了一次友好但略显尴尬的谈话。“亚历克斯在这方面付出了如此多的努力，我不想贬低他所做的工作，”她回忆道。“我带着使用这种仪器的多年经验突然加入了进来。我为亚历克斯加油。我们都希望卫星在那里。我的意思是，那有多酷啊？”

竞赛

在基平和蒂奇宣布之后的几个月里，对系外卫星的关注度 только 增加。很快，研究团队就独自一人仔细研究开普勒数据，试图找到可能表明卫星存在的凌星变化。其他人则转向诸如甚大望远镜的Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch tool (SPHERE) 等仪器。塞西莉亚·拉佐尼目前是英国埃克塞特大学的博士后研究员，她声称使用SPHERE调查发现了一颗巨大的系外卫星。在发表在《天文学与天体物理学》杂志上的一篇论文中，她将其描述为一颗质量非常低的棕矮星的伴星，棕矮星是介于行星和恒星之间的昏暗天体，它不聚变氢，但大小是木星的许多倍。拉佐尼的世界及其伴随天体可能更像是双星巨行星，而不是一个世界和一颗卫星。如果这样的天体很常见，天文学家将不得不努力定义构成行星和卫星的标准。

2019年，英国林肯大学的菲尔·萨顿重新分析了超土星J1407b。这颗行星及其环最初是由现在的美国宇航局喷气推进实验室的埃里克·马马杰克和几位同事发现的。萨顿想找到环外轨道卫星的证据，就像土星的大多数卫星一样，所以他着手确定J1407b的37个环是否以相同的方式被塑造。他找不到任何外部卫星引导环中空隙的证据，反而发现外部卫星可能会撕裂圆盘。“我们都对我们可能真的找到了某些东西感到兴奋，”萨顿说，但重新分析往往会降低希望。“确认起来真的很难。”

然后，在2020年夏天，西安大略大学的研究生福克斯仔细研究了更多的开普勒数据。他和他的导师保罗·维格特仔细检查了13颗开普勒行星，发现了8颗行星的凌星时间变化可以用系外卫星来解释。但是，正如福克斯指出的那样，这些变化也可能是其他原因造成的；可能性包括从耀斑等恒星活动到其他行星。“在许多情况下，我们能够将凌星时间变化模式与卫星匹配，但在所有情况下，我们都可以用第二颗行星的存在来解释它们，”他说。

蒂奇在福克斯在那个夏天将论文发布到预印本服务器上时对这项工作提出了批评，并同样批评了声称福克斯描述的是卫星而不是卫星或行星情景的报道。蒂奇说，在一个年轻且快速发展的领域，尤其是在一个对职业生涯的重大发现至关重要的领域，一些成长的烦恼是不可避免的。“我们不是试图扼杀人们研究卫星，我们也不想表现得好像我们是守门人，”他说。“但与此同时，这是游戏的一部分。我们将质疑我们认为证据不支持的结论。”福克斯的论文于2021年发表在《英国皇家天文学会月刊》上。

2020年11月，基平主持了有史以来第一次系外卫星会议，这是一次通过Zoom举行的非正式会议，汇集了来自世界各地的大约80名研究人员。科学家们讨论了新的探测方法、卫星和系外环形成的理论、对系外卫星大小和候选者的新约束以及相关主题。“我认为我们需要作为一个社区更加有组织，才能有更好的机会，”基平说。

确定性的探测仍然难以捉摸，部分原因是天文学家对他们的望远镜和他们的数据要求太高。行星凌星其恒星所产生的微弱亮度闪烁本身就很难看到。将此与凌星时间仅几瞬间的偏移进行比较——记住所讨论的天体距离我们数百光年——是一种极其精确的测量。

克雷德伯格说，她感到沮丧的是，她无法弄清楚为什么她和蒂奇在使用相同的哈勃数据时无法得出相同的答案。他们互相分享了彼此的处理方法，她试图严格复制他的步骤，但无法调和这些发现。“我唯一的遗憾是我们无法弄清楚差异是什么，”她说。“对我来说的启示是，我们真的在突破哈勃望远镜的能力极限。它的设计目的是观察遥远的暗淡星系，而不是附近的带有卫星的行星。我们正在尽最大努力进行数据处理，但将信号提取出来是一门精细的艺术。”

其他挑战是几何上的。由于开普勒定律（即约翰内斯·开普勒，他发现了支配行星运动的规则，行星探测望远镜就是以他的名字命名的）和牛顿定律，卫星的轨道在距其行星一定距离内更稳定，这个距离被称为希尔半径。行星离其恒星的轨道越近，恒星的引力就越有可能干扰卫星的轨道，有可能将其螺旋式地送入行星或完全脱离恒星系统。但是来自开普勒、哈勃和其他天文台的数据通常捕获的是在其恒星附近轨道运行的行星——通常非常近，比水星离太阳还要近。虽然这些行星相对来说比遥远的行星更容易找到，但它们可能更不可能拥有卫星。“如果我们正在观察凌星其恒星的行星，我们正在观察的是引力影响已大大减弱并且不太可能宿主卫星的行星，”加州大学河滨分校的行星天体物理学家斯蒂芬·凯恩说。他在2017年发表了一篇论文，认为紧凑的行星系统，例如TRAPPIST-1七颗类地行星系统，不太可能宿主任何卫星。

罗切斯特大学的天文学家艾丽斯·奎伦指出，轨道距离其恒星较远的行星，例如木星和土星，更有可能宿主卫星，她研究过超土星J1407b。当行星离恒星更远时，恒星不太可能干扰行星的引力，从而允许卫星留在原位。如果遥远的系外行星在大小和组成上类似于太阳系自身的外层世界，它们也可能更倾向于抓住行星碎屑、游荡的小行星和矮行星。海王星的卫星海卫一被认为是来自遥远柯伊伯带的被捕获的矮行星，柯伊伯带是一个像冥王星一样的小世界，在太阳系形成后被卷入了海王星的怀抱。

但是，大型、遥远的行星很难找到，部分原因是它们绕恒星轨道运行需要很长时间——木星上的一年，相当于一次凌星，需要将近12个地球年，这意味着天文学家必须观察这样一颗行星超过二十年才能找到确凿的信号。而且它们很难被发现，因为它们可能会与其他天体混淆。恒星恒定光线中的周期性变暗很可能是由偶尔移动到彼此前面的双星对以及外层行星引起的。“你无法在外太阳系中找到东西，因为它太容易与食双星混淆了，”奎伦说。“你必须花费大量时间试图摆脱不是你想要的东西。”

恒星本身也会混淆信号。事实证明，太阳是一颗特别平静的恒星；其他恒星往往更加活跃，喷发出耀斑和辐射，并形成斑点，这些斑点也会影响它们的视亮度。“测量恒星亮度的麻烦在于，如果你进一步提高精度，你就会开始遇到恒星活动，”凯恩说。“恒星会产生与卫星预期信号相当甚至更大的噪声。它基本上创造了一个你无法超越的天花板，这是一个非常大的挑战。”

一些天文学家没有气馁，而是转向创造性的数学和观测方法。瑞士伯尔尼大学的讲师阿普瓦·奥扎正在寻找一颗木卫一。用双筒望远镜或小型望远镜就可以看到木星的火山卫星木卫一；它是伽利略·伽利雷在1609年观测到的四颗卫星之一。但是，用灵敏的仪器观察，木卫一是天空中最耀眼的天体之一。它积极地散发出钠和钾，当木星的引力撕裂其内部，木卫一的火山爆发时，它会大量地将钠和钾喷射到太空。奥扎说，木卫一的外逸层可以延伸到木星半径的500倍。更重要的是，无论卫星位于何处，它的特征都是可见的；研究凌星行星的天文学家不必担心系外卫星的相位。系外木卫一可能在行星后面，其巨大的等离子云仍然可以用合适的仪器探测到。“如果你把气体喷洒到各处，你就会把它包裹起来，你会在凌星期间看到它，”奥扎说。

他补充说，几架望远镜上的光谱仪已经可以探测到恒星内部和周围的挥发性气体。一些光谱仪已经探测到钠、钾和其他特征，这些特征通常无法解释。“缺失的因素可能是一颗卫星，”奥扎说。“当你这样想的时候，这似乎并不离谱。”他指出，系外木卫一几乎不是寻找任何地外生物学的地方：“我们在这里不是在寻找宜居性。我们正在寻找爆炸性环境，而这才是宇宙的大部分。”

前进之路

天文学家希望于2021年12月发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜能够以更高的精度搜寻系外卫星。开普勒的设计目的是寻找类太阳恒星周围的地球大小的行星，因此小于地球的天体可能很难被挑选出来。研究人员经常使用斯皮策太空望远镜，但它于2020年1月退役。目前，地球上或天空中没有太多其他东西可以找到系外卫星，因此天文学家正在依靠更好的数据处理方法——并准备等待。

“我们工作的一部分仍然不仅仅是寻找这些东西，而是想出更好的方法来寻找它们，”蒂奇说。“人们认为发现是灵光一闪的时刻。它更像是，‘让我们看看它是否会通过这个测试。还有这个测试。’然后你会想，‘嗯，它有点站得住脚。’”

地面天文台，例如正在智利阿塔卡玛沙漠中建造的极大望远镜，也可能在适当的情况下发现系外卫星。计划于2026年发射的欧洲太空望远镜行星凌星和恒星振荡望远镜 (PLATO) 也可以帮助搜索。展望未来，诸如大型紫外/光学/红外探测器 (LUVOIR) 等卫星——可能在2030年代中期发射——可以提供出色的系外卫星搜寻能力。但所有这些项目都还有数年之遥。

“对于系外卫星来说，在詹姆斯·韦伯开始运行之前，现在有点像哈勃或破产，”基平说。与此同时，他希望新兴的系外卫星社区将继续找出新的策略，以处理迄今为止存在的数据。克雷德伯格也希望詹姆斯·韦伯能找到系外卫星信号，但承认确凿的发现可能还需要一段时间。

“这是最前沿的，”克雷德伯格说。“弄清楚我们知道什么以及我们知道得有多好是一个不断发展的过程。你必须是一个乐观主义者才能研究系外行星。”也许，还有系外卫星。