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但要找到這些隱藏在星光背后的天體卻是困難重重。它們的信號(hào)可能隱藏在星光微弱的亮度變化，或是漫長(zhǎng)閃爍周期的短暫波動(dòng)中。

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在這篇節(jié)選自《環(huán)球科學(xué)》4月新刊的文章中，我們將看到：借助不斷升級(jí)的望遠(yuǎn)鏡和全球合作，人類正在逐步接近系外衛(wèi)星。

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撰文 | 麗貝卡·博依爾（Rebecca Boyle）

翻譯 | 許峰瑋

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1655年，丹麥天文學(xué)家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）親自搭建起了一臺(tái)折射式望遠(yuǎn)鏡，并將其對(duì)準(zhǔn)土星。他認(rèn)為這個(gè)行星周圍環(huán)繞著一個(gè)固態(tài)環(huán)，打算觀測(cè)這個(gè)環(huán)的傾角如何隨時(shí)間變化。不過(guò)他卻在觀測(cè)過(guò)程中看到了一些意料之外的東西——一個(gè)巨大的衛(wèi)星（現(xiàn)在我們稱之為土衛(wèi)六或泰坦星）。土星成為了繼地球和木星之后，第三個(gè)被發(fā)現(xiàn)具有衛(wèi)星的行星。在太陽(yáng)系中，土星那樣的環(huán)的確很罕見(jiàn)，不過(guò)衛(wèi)星則是司空見(jiàn)慣了。

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直到20世紀(jì)末，人類所知的行星還僅是包括地球在內(nèi)，沐浴著太陽(yáng)光芒的8顆系內(nèi)行星。不過(guò)，從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，人類對(duì)行星的認(rèn)識(shí)有了變化，當(dāng)時(shí)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽(yáng)系外行星。而到2009年，當(dāng)開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡將它的鏡頭對(duì)準(zhǔn)宇宙深處時(shí)，過(guò)去的認(rèn)識(shí)更是被徹底顛覆了。我們現(xiàn)在知道宇宙遍布著行星，其數(shù)量遠(yuǎn)比恒星要多。我們尚未找到一顆看上去像是地球的行星，或證明某個(gè)系外行星擁有衛(wèi)星，但是我們正在一步步接近這些目標(biāo)。

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21世紀(jì)初期，當(dāng)天文學(xué)家通過(guò)遮擋星光找到一些系外行星時(shí)，他們就開(kāi)始考慮系外衛(wèi)星了，而從2018年開(kāi)始的一些研究也發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)有希望的候選體。實(shí)際上，能夠準(zhǔn)確定位一顆太陽(yáng)系外行星的衛(wèi)星，將會(huì)是我們認(rèn)識(shí)宇宙的又一塊里程碑。通過(guò)這項(xiàng)工作，我們將會(huì)確認(rèn)這些衛(wèi)星在宇宙中到底是無(wú)處不在的，還是稀有罕見(jiàn)的；相對(duì)于它們的宿主行星普遍偏大還是偏?。凰鼈兪峭ǔ０殡S著母體行星形成，還是在行星形成之后的一次災(zāi)難性事件中誕生；這些衛(wèi)星是結(jié)伴形成，還是單獨(dú)出現(xiàn)。

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中國(guó)臺(tái)灣“中央研究院”天文及天體物理研究所的博士后亞歷克斯·泰切（Alex Teachey）和同事發(fā)現(xiàn)，系外行星Kepler-1625b可能擁有一顆衛(wèi)星。他說(shuō)：“每次我們看到系外行星，我都會(huì)把它看成一面映射地球歷史的鏡子，在哪些方面我們是普通的，而在哪些方面我們又是獨(dú)一無(wú)二的呢？就像我們開(kāi)始觀察到那些古怪的系外行星系統(tǒng)一樣，我們可能會(huì)很驚訝于系外衛(wèi)星的奇特。”

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插圖：戴維·帕倫博（David Palumbo）

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衛(wèi)星紅利

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不管是在太陽(yáng)系中，還是我們目前所能看到的范圍內(nèi)，地球仍舊是獨(dú)特的。畢竟它是我們所知唯一孕育了生命的行星，也是唯一一個(gè)用活躍的內(nèi)部活動(dòng)塑造了表面的行星——板塊構(gòu)造使得生命得以傳播并且演化。它還是唯一一個(gè)擁有足夠厚的大氣層來(lái)維持液態(tài)水存在的行星，它的季節(jié)規(guī)律性更替，能長(zhǎng)期維持穩(wěn)定，它同時(shí)也和太陽(yáng)保持著剛好的距離，不會(huì)太冷也不會(huì)太熱。而這些維持生命存在的前提，或多或少都和月球有關(guān)。

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月球在地球歷史上所扮演的角色可以追溯到約45億年前，那時(shí)候一顆與目前火星大小相近的行星與誕生不久的地球發(fā)生了碰撞，這場(chǎng)災(zāi)難性的事件遺留下了一個(gè)熾熱的橢球形地球和一個(gè)同樣熾熱的月球。從那時(shí)候開(kāi)始，月球持續(xù)冷卻，并且不斷遠(yuǎn)離地球。隨著時(shí)間推移，月球遠(yuǎn)離，地球因?yàn)橐ψ饔瞄_(kāi)始變得更圓，地殼在月球潮汐力下彎曲。地殼的變形可能導(dǎo)致了早期板塊的出現(xiàn)。同時(shí)，月球的遠(yuǎn)離也減慢了地球的自轉(zhuǎn)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀(jì)，就會(huì)讓地球的一天變長(zhǎng)大約兩毫秒。

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相對(duì)于地球來(lái)說(shuō)，月球非常重，我們所處行星的質(zhì)量?jī)H是衛(wèi)星的81倍。相較于太陽(yáng)系其他的行星-衛(wèi)星系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)比值很小。正是因?yàn)橘|(zhì)量比值小，月球引力保證了地球的自轉(zhuǎn)軸始終相對(duì)于公轉(zhuǎn)軸保持23.5度的傾斜，這個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)保證地球長(zhǎng)久不變的季節(jié)更替。除此之外，地球海洋的潮汐主要是月球引起的，這種現(xiàn)象塑造了海岸線，孕育了海洋里的諸多生物。月球的潮汐力很可能在生物演化中起到了至關(guān)重要的作用，驅(qū)使植物和四足動(dòng)物離開(kāi)海岸邊的鹽沼登上陸地。

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地球的衛(wèi)星——月球——塑造了我們地球的歷史，并且?guī)椭厍虺蔀樯囊司拥兀▓D為從國(guó)際空間站看到的月球）。

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要說(shuō)地球這個(gè)單一樣本的過(guò)去給我們提供了哪些啟示，那就是系外行星如果沒(méi)有衛(wèi)星將會(huì)完全不同。沒(méi)有衛(wèi)星的系外行星可能只是毫無(wú)生機(jī)的石頭，注定像火星一樣隨著時(shí)間流逝發(fā)生傾斜，時(shí)而極寒時(shí)而酷熱，大氣無(wú)法穩(wěn)定存在，生命也注定無(wú)法長(zhǎng)久。系外衛(wèi)星如果存在，甚至其本身可能會(huì)比宿主行星更加適合生命存在。因此，想要尋找太陽(yáng)系外的生命，需要關(guān)注那些更可能具有衛(wèi)星的行星，甚至是衛(wèi)星本身。

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惠更斯不知道的是，他所發(fā)現(xiàn)的土衛(wèi)六，那顆橘紅色的星球上充斥著甲烷和乙烷的江河湖海，實(shí)在太像一顆行星了。雖然對(duì)于我們或者任何我們已知的生物來(lái)說(shuō)，土衛(wèi)六都不是宜居的星球，但是它有液態(tài)的環(huán)境，同時(shí)有足夠厚的大氣層，意味著它為混合生命所需的要素提供了機(jī)會(huì)，也就是為孕育生命提供了機(jī)會(huì)。反觀其宿主行星土星，由于具有太強(qiáng)的引力和大團(tuán)的氨氣，永遠(yuǎn)沒(méi)法成為孕育生命的搖籃。類似的情況對(duì)于木星同樣適用，木星像是半個(gè)恒星，具有強(qiáng)大的輻射帶以及對(duì)地球生命來(lái)說(shuō)致命的氣體層，但是它的衛(wèi)星就不一定有這樣的問(wèn)題。

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“根據(jù)對(duì)太陽(yáng)系的了解，我們認(rèn)為像木星這樣的行星可以有相當(dāng)大的衛(wèi)星，足以擁有液態(tài)水，” 安大略省西方大學(xué)的研究生克里斯·?？怂梗–hris Fox）說(shuō)道，“如果一個(gè)木星位于太陽(yáng)系的宜居帶上，你可以看到一個(gè)像地球一樣的衛(wèi)星，上面還可能存在生命?；谶@個(gè)想法，同時(shí)考慮到衛(wèi)星的數(shù)量，我們推測(cè)或許衛(wèi)星上的生命會(huì)比行星上的更常見(jiàn)。”

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換句話說(shuō)，系外衛(wèi)星本身可能就是宜居的，同時(shí)還可能有助于讓它們的宿主行星變得宜居。因此，尋找系外衛(wèi)星將會(huì)讓我們?cè)诶斫庑l(wèi)星的同時(shí)，更進(jìn)一步了解我們自己。

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有趣的候選體

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在開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡開(kāi)始觀測(cè)之前，天文學(xué)家就猜測(cè)整個(gè)宇宙充滿了像地球這樣的生命家園，并且它們也有自己的衛(wèi)星。現(xiàn)在在巴黎天文臺(tái)工作的保拉·薩爾托雷蒂（Paola Sartoretti）和瓊·施奈德（Jean Schneider）在1999年首次提出，可以利用凌星法搜尋系外衛(wèi)星。

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如果一顆恒星和它的行星排列的平面與視線方向平行——就好比你從太陽(yáng)系平面的側(cè)面觀測(cè)，而不是從垂直于太陽(yáng)系平面的方向觀測(cè)一樣——恒星會(huì)因?yàn)樾行墙?jīng)過(guò)而被遮擋了部分的光線，從而亮度周期性降低。這種類似于日食的現(xiàn)象叫做凌星。當(dāng)凌星現(xiàn)象以一個(gè)固定的周期重復(fù)，我們通常就可以確定，存在一個(gè)環(huán)繞恒星運(yùn)行的天體導(dǎo)致其亮度變暗。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡采用這種方法尋找系外行星已經(jīng)有十幾年了。

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薩爾托雷蒂和施奈德認(rèn)為，距離其宿主行星較遠(yuǎn)的衛(wèi)星，也可以利用類似的方法探測(cè)，只要在凌星的時(shí)候，衛(wèi)星在其宿主行星的旁邊。更確切地說(shuō)，如果衛(wèi)星距離宿主行星足夠遠(yuǎn)， 恒星的變暗程度可以比僅有行星的情況暗得多，亮度甚至可以相差一倍。

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他們還認(rèn)為，縱使系外衛(wèi)星距離它們的宿主行星很近，使得二次變暗不大可能出現(xiàn)，天文學(xué)家仍然有可能通過(guò)觀察行星重復(fù)性的凌星模式隨著時(shí)間的變化，進(jìn)而推斷衛(wèi)星的存在。通常來(lái)說(shuō)，凌星現(xiàn)象應(yīng)該類似于節(jié)拍器一樣準(zhǔn)確地重復(fù)，但是有時(shí)它們會(huì)稍稍偏離，比科學(xué)家預(yù)想的提早或延遲一點(diǎn)。這種凌星時(shí)變效應(yīng)往往是因其他繞宿主恒星旋轉(zhuǎn)的行星引力拖拽而產(chǎn)生，但是也可以由附近巨大的衛(wèi)星導(dǎo)致。

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想要理解這一切是如何發(fā)生的，我們可以從我們自己的地月系統(tǒng)中得到不少啟示。嚴(yán)格地說(shuō)，月亮并不是圍繞地球運(yùn)動(dòng)的，地球和月球是在繞著它們的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)。不過(guò)，地月系統(tǒng)的質(zhì)心始終都在地球上，因?yàn)榈厍蛳鄬?duì)于月球來(lái)說(shuō)還是重得多。（準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，地月系統(tǒng)的質(zhì)心位于地幔某一處，偏離地球的中心。）因此一個(gè)很自然的結(jié)果是，地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的時(shí)候，會(huì)輕微地偏離公轉(zhuǎn)軌道擺動(dòng)。這個(gè)擺動(dòng)則是薩爾托雷蒂和施奈德企圖尋找的。

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2017年，泰切和哥倫比亞大學(xué)的天文學(xué)家戴維·基平（David Kipping）共同篩選開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，來(lái)尋找系外衛(wèi)星干擾其宿主恒星星光的蹤跡。他們分析了大約300個(gè)行星，希望能夠找到一些衛(wèi)星。最終，他們找到了一個(gè)候選者：Kelper-1625b。

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他們申請(qǐng)了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間，令人驚喜的是申請(qǐng)被批準(zhǔn)了。接著他們花費(fèi)了將近一年的時(shí)間來(lái)研究哈勃望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，其中還包括學(xué)習(xí)如何運(yùn)用這些數(shù)據(jù)的時(shí)間?；胶吞┣凶罱K完成了他們的分析，哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果表明，相比于孤立的行星-恒星模型，這顆行星的凌星時(shí)間提前，表明它的旁邊可能存在一顆衛(wèi)星。數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示，行星的凌星時(shí)間每五年就會(huì)變化20分鐘。“我們知道的確存在什么東西在擾動(dòng)這顆行星，”基平說(shuō)，“并且我們認(rèn)為它就是這顆行星的衛(wèi)星。”

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泰切和基平在2018年年初把他們的論文投送到了預(yù)印本網(wǎng)站，2018年10月，這篇文章最終發(fā)表在了《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）雜志上。他們聲稱有證據(jù)支持存在一個(gè)海王星大小的衛(wèi)星環(huán)繞Kepler-1625b旋轉(zhuǎn)，而該行星自身大小則是木星的許多倍。泰切和基平?jīng)]有聲稱自己發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系外衛(wèi)星?！拔矣X(jué)得人們可能對(duì)于我們報(bào)道這個(gè)發(fā)現(xiàn)的方式很失望，”泰切說(shuō)，“人們認(rèn)為我們?cè)噲D通過(guò)這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)博取聲望，但還給自己留了后路，因?yàn)槲覀儾](méi)有完全申明這個(gè)發(fā)現(xiàn)。我理解人們失望所在——這顆衛(wèi)星到底存在嗎？但目前還有太多太多的未知因素。”

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在泰切和基平發(fā)表自己的研究結(jié)果之后，其他天文學(xué)家也踴躍參與到這項(xiàng)研究中。德國(guó)馬普太陽(yáng)系研究所的天文學(xué)家雷內(nèi)·海勒（René Heller）重復(fù)了泰切的部分工作，但認(rèn)為沒(méi)有足夠的證據(jù)支持衛(wèi)星的存在。而研究系外行星大氣的勞拉·克雷德貝格（Laura Kreidberg），同樣也沒(méi)法證明這項(xiàng)工作中一個(gè)關(guān)鍵的部分。

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……

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泰切和基平公布研究結(jié)果之后的幾個(gè)月里，天文界對(duì)系外衛(wèi)星的關(guān)注不斷增加。很快，就有不同的研究團(tuán)隊(duì)相繼聲明找到了系外衛(wèi)星。這些可能的系外衛(wèi)星都身處何方，研究人員是怎樣找到它們的？

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但另一方面，直到現(xiàn)在，系外衛(wèi)星的確鑿觀測(cè)證據(jù)目前仍然難以獲取。面對(duì)技術(shù)上的難題，天文學(xué)家想出了怎樣的解決方案？

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