天文学家首次发现太阳系外可能存在卫星的证据

Credits: NASA/ESA/L. Hustak

借助美国宇航局的哈勃望远镜和开普勒太空望远镜，天文学家们可能首次发现在太阳系外围绕行行星的一颗卫星。

这颗卫星距离地球8000光年，位于天鹅座，绕行一颗气态巨行星，而这颗行星绕行恒星Kepler-1625。研究人员警告称卫星定论是暂定的，必须通过哈勃望远镜的后续观测证实。

“这一有趣的发现展现了美国宇航局任务如何协同工作以揭晓宇宙的神秘面纱“，美国宇航局华盛顿总部科学任务委员会副主任Thomas Zurbuchen说，“如果得到证实，这一发现可能会彻底改变我们对卫星形成方式及其构成成分的理解。”

太阳系外的卫星（称之为系外卫星）无法直接拍摄成像。当它们经过一颗恒星前面时，恒星的光度会暂时减弱，我们仅能通过这种现象推断其存在。此现象被称为凌日，迄今为止天文学家已用于检测到多颗系外行星。

然而，系外卫星比系外行星更难探测，因为它们体积比主行星更小，因此当绘制光变曲线测量行星凌日持续时间和亮度减少程度时，它们凌日的信号较弱。同时，因为卫星围绕行星运行，系外卫星每次凌日都会改变位置。

为寻找系外卫星，纽约哥伦比亚大学的天文学家Alex Teachey和David Kipping分析了284个开普勒探测器发现的行星的数据，这些行星环绕轨道半径较大，环绕周期大于30天。研究人员在行星Kepler-1625b中发现了一个有趣且异常的凌日信号，暗示着系外卫星的存在。

“我们看到光变曲线中微小的偏差和晃动，这引起了我们的注意，”Kipping说。

根据他们的研究结果，研究小组用了40个小时结合哈勃望远镜进行观测，进而深度研究这颗行星，同时也通过凌日现象以获得更精准的亮度减少数据。科学家们监控了这颗行星凌日前及其凌日的19个小时。在凌日结束大约3.5小时后，哈勃望远镜检测到恒星亮度第二次减少，这次减少程度要小得多。 这种小幅下降与行星引力绑定的卫星有关，就像一只跟随主人的狗子。可惜的是，在测量系外卫星凌日及确认其存在的观测完全结束之前，预定的哈勃望远镜观测就已经结束了。

除了恒星亮度减弱之外，哈勃望远镜发现行星凌日比预期提前了一个多小时，这为系外卫星假说提供了证据：行星和卫星围绕一个共同的重心运行，使得行星从其预测位置偏移，就像地球在我们的月球绕行时会晃动一样。

研究人员指出，行星的晃动可能是由系统中假想的第二行星（而不是卫星）引力牵引所致。虽然开普勒探测器并没有在系统中探测到第二颗行星，但或许行星存在，然而开普勒探测器的技术无法检测到。

“对于光变曲线中的第二次亮度减弱和轨道时间偏差，卫星的存在是最简单和最自然的解释，“Kipping解释道，“看到哈勃光变曲线绝对是一个令人震惊的时刻，当我继续观测这个信号迹象时我的心脏开始跳得更快。但我们知道天文观测要保持镇定，假设它是虚假现象，从数据的各方面测试其可信度。”

在《科学进展杂志》上发表的一篇论文中，科学家们报道称，这颗潜在的系外卫星非常大，其体积可能与海王星相当。在我们自己的太阳系中不存在这样大的卫星。 研究人员表示，这可能会对行星系统的发展产生新见解，并可能使专家重新审视卫星形成的理论。

据估计，这颗系外卫星的质量仅为主行星质量的1.5％，而这颗行星的质量大约是木星的数倍。这个质量比类似于地球和月球。 在地月系统和冥王星—冥卫一系统中，卫星被认为是岩石行星碰撞后产生的。 然而，Kepler-1625b及其可能的卫星是气态的（而不是岩石），所以这颗卫星可能形成过程不同。

研究人员指出，如果这确实是一个卫星，它和主行星都位于恒星的宜居带内，温度适中，允许固态行星表面存在液态水。然而，这两颗星球都被认为是气态的，因此不适合我们所知的生命存在。

一般而言，未来对系外卫星的搜索将针对木星大小、轨道半径比日地距离更大的行星。 典型的有卫星的行星通常环绕轨道较大，凌日周期较长。这种情况下，因为体积大，卫星最容易被发现。目前，开普勒数据库中此类行星较少。无论未来的观测是否证实了Kepler-1625b卫星的存在，美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）将用于寻找其他行星周围的卫星，它能提供的细节远比开普勒探测器更多。

“我们可以期待韦伯望远镜能观测到相当小的卫星，”Teachey说道。

小小解读

光变曲线表示天体亮度随时间的变化。在我们视线方向，当有行星挡在恒星前面时，我们检测到的恒星亮度会减少，在光变曲线中对应一个“坑”。通过绘制光变曲线，科学家们发现了很多行星。相同的方法也适用于发现卫星，只是卫星的小体积/表面积、凌日位置的变化，对仪器的精准度要求更高。从NASA公布的光变曲线来看，右边仿佛是有一个小的凹陷，但与此同时数据点的误差（errors）/不确定性（uncertainties）还蛮大的。数据的可信度还是取决于开普勒探测器校准的精度。像文章中说的，需要大量后续观测证实/推翻这颗系外卫星的存在。

其他相关知识：

关于卫星（moon）和伴星（companion planet）的定义并没有明确的区分。月球被认为是地球的卫星是因为它们质量上差太多，所以大可认为月球绕着地球转。而冥卫一的直径有冥王星的一半，因为质量量级上没有差很多，它们实际上是绕行质心的。冥王星存在于一个双星系统（binary system），这也是它被除名“太阳系九大行星”的原因之一（不是主要原因啦）。