發現了一顆系外行星？別急，還要再等等

知識 10-09

出品：科普中國

製作：haibaraemily

監製：中國科學院計算機網路信息中心

近日，哥倫比亞大學天文系的Teachey團隊通過哈勃望遠鏡的觀測數據宣布他們很可能發現了一顆系外衛星，名叫開普勒1625b-i。如果最終得到確認，這將是人類發現的第一顆系外衛星。這一成果發表於10月3日的《科學·進展》雜誌。

不過，這其實是Teachey團隊再次確認這顆可能的系外衛星的存在了，雖然這次依然沒能夠完全確定。這又是怎麼回事呢？

緣起：先有目標，然後去找

我們的太陽系裡有恆星，環繞著恆星的有行星，環繞著行星的還有衛星。

那麼太陽系以外的其他恆星系統里也有行星環繞著恆星轉動吧？這是很自然的推測，也完全符合我們對太陽系中行星形成理論的認知…然後有人就去找了…然後就找到了…

1992年，人們在脈衝星PSR B1257+12周圍確認發現了第一顆系外行星，1995年，人們首次在主序星周圍發現了系外行星飛馬座51b…之後隨著觀測技術的提升，尤其是開普勒望遠鏡的貢獻，人們一發不可收拾地發現了大量系外行星——而且我們相信，遠遠不止這麼多，只等著天文望遠鏡去發現更多而已。

那麼和太陽系中的行星差不多大甚至更大的系外行星會不會有衛星環繞？自然也是很可能有的，而且越大的系外行星，就越可能有越大越多的衛星，就像我們太陽系巨大的木星和土星有幾十顆甚至更多衛星一樣。但只要還沒有真的發現，我們就不能確認有——但我們可以奔著這個目標去找不是？

真的有人就去找了…其中就有我們這次的主角——哥倫比亞大學天文系的Teachey團隊。

怎麼找？

尋找系外行星或者衛星，有很多成熟的觀測方式和方法，其中最常用的一種是凌日（掩星）法，目前為止大約80%的系外行星都是通過凌日法發現的。

原理非常簡單：一顆恆星自己會發光，如果沒有遮擋的話這顆恆星發出的光始終都一樣亮，也就是說，光變曲線是一條直線。

但有行星飛過時，會遮擋一部分恆星的光，那麼在這段時間裡觀測到的恆星亮度會變小。當行星飛過之後，會在恆星的光變曲線里留下一個U型缺口。

小個兒的行星飛過留下小缺口，大個兒的行星飛過留下大缺口。

那如果這顆行星有衛星，應該是什麼樣？

如果衛星在行星後面飛過恆星，那麼應該先有行星的遮擋（大缺口），

然後再有衛星的遮擋（小缺口）。

當然，如果衛星在行星之前飛過恆星，那麼就會先有衛星的遮擋，後有行星的遮擋。

還有，有遮擋未必就是行星或者衛星的遮擋，其他不發光的天體也有可能，這些都需要仔細排除。

不過，這些都只是理想情況，實際上，系外行星如果個頭不夠大都很難被發現，那麼更小的衛星就更加難以發現了。

開普勒探測器的搜索

為了尋找可能的系外衛星，哥倫比亞大學天文系的Teachey團隊在更早之前就認真檢查了284個開普勒探測器發現的系外行星的觀測數據。

行星獵手開普勒探測器的假想圖。

然後，他們真的找到了三次凌日事件有符合條件的疑似信號，這是系外行星開普勒1625b飛過恆星開普勒1625時發生的凌日。這顆恆星位於距離地球約8000光年外的天鵝座方向，而環繞它的行星開普勒1625b則是一顆位於宜居帶中的、木星大小的氣態巨行星。

開普勒數據發現的三次開普勒1625b的凌日事件。

根據這些數據，Teachey團隊首次提出系外行星開普勒1625b可能有一顆衛星，他們稱之為開普勒1625b-i。

值得一提的是，這其實並不是第一顆可能的系外衛星，在此之前還有三顆系外行星J1407b、WASP-12b和MOA-2011-BLG-262被認為可能有衛星。

但Teachey團隊那時還不能完全確定這些"小缺口"是真實的，因為開普勒探測器的測光精度不夠高，不同的數據處理方法也可能影響擬合結果。

但這個問題是可以解決的，因為我們現成就有精度更高的大殺器——哈勃空間望遠鏡，後者有更大的口徑，光學精度優於開普勒探測器四倍。

哈勃空間望遠鏡的假想圖。

哈勃望遠鏡：一次"預告謀殺"

2017年10月28-29日，系外行星開普勒1625b將再次凌日（飛過恆星開普勒1625），為此，Teachey團隊專程申請了40個小時的觀測時間，來看看"火眼金睛"的哈勃望遠鏡將會看到什麼。

這是一次"蓄謀已久"的觀測，早在2017年Teachey團隊首次宣布這顆衛星可能存在時就已經計劃好了。

而且昭告天下：我們要在下一次觀測里解決這個問題！

宛如偵探小說里的"謀殺預告"。

這次觀測如期進行並順利完成了。

近期，Teachey團隊宣布，他們對這次哈勃望遠鏡的觀測數據進行了處理，確認在精度更高的哈勃望遠鏡的凌日觀測中再次看到了這種"衛星可能產生的缺口"，而且經過幾種不同的數據處理方式之後結果依然如此，由此他們認定，這個"缺口"確實意味著某種天文現象，而非觀測或者數據處理的問題。

三種"衛星存在模型"下的擬合結果。

第一顆系外衛星？目前只是其中一種可能

對於這次的光變信號，系外衛星是最簡單直接，因此也是目前可能性最大的一種解釋。如果確實是這種情況，那麼這顆衛星將是第一顆被確認的系外衛星。

而這顆衛星雖然不至於完全打破我們對太陽系中衛星的"常識"，至少也是有點特殊的存在。

據推算，這顆系外衛星開普勒1625b-i的軌道面與行星開普勒1625b軌道面的夾角約45度，順行或逆行都有可能。衛星如此之大的軌道傾角，這在太陽系中是非常罕見的，目前只有海衛一有過這樣的情況，因此它也被認為是海王星從柯伊伯帶里捕獲來的。

當然，目前的估計還非常粗略，作者特意強調了，實際可能沒有這麼大的傾角。

海衛一的軌道（紅色）和軌道傾角。

估算結果還顯示，如果真的有衛星存在，那麼這顆衛星距離中心行星約40個行星半徑，大小和質量都將和海王星或天王星相當，也就是說，這是一顆非常巨大的衛星。

考慮到行星開普勒1625b僅僅是一顆木星大小的行星，這意味著一顆木星大小的天體（11個地球半徑）擁有一顆海王星大小的衛星（4個地球半徑），這在太陽系中也非常罕見。或許只有冥王星和冥衛一，還有地球和月球，這兩組選手可以與之抗衡（冥衛一的半徑大約是冥王星的1/2，月球半徑大約是地球的1/4），而目前認為冥衛一和月球都是由撞擊形成的。

當然，我們目前對行星開普勒1625b大小的估計也是很粗略的，或許它有木星的幾倍大，那麼有這麼大的衛星就"正常"多了。不過，雖然體積很大，但這顆衛星的質量卻只有母行星的1.5%。

以木星和天王星來類比的話，目前估算的開普勒1625b和它可能的衛星的大小位置關係大概是這樣的:

好消息也是有的，系外行星開普勒1625b到恆星開普勒1625的距離適宜（差不多是金星到太陽的距離），很可能位於這顆恆星的宜居帶上，據最新的推算，表面溫度可能低至30攝氏度，非常宜人了，所以如果發現有衛星存在，那麼這顆衛星也可就能位於宜居帶上了。但壞消息是，開普勒1625b和衛星開普勒1625b-i很可能都是氣態天體，幾乎不可能適宜生命存在。

本次研究還發現，這顆恆星開普勒1625可能比太陽老得多，已經有90億年了。這麼古老的年齡意味著這個恆星系統中的天體們有足夠長的時間來進行軌道演化。

但系外衛星並不是唯一可能的解釋。

還有另一顆行星存在的可能性也還不能完全排除。事實上，除了亮度的降低，本次觀測到的凌日時間也比預計的早發生了77.8分鐘，這個現象叫做凌日時間變化（TTVs）。之所以凌日時間會有變化，是因為有另一顆天體的引力把凌日行星的運動拉快或者拖慢了，這裡的"另一顆天體"可能是衛星，也完全有可能是另一顆尚未被發現的行星。事實上，對凌日時間變化的觀測也是目前人們發現系外行星/衛星的一種方法。

簡答來說，如果一個恆星系統中只有一顆行星，那麼每次發生凌日的時間都是固定的。

但如果還有另一個天體（這裡以另一顆行星為例）剛好飛過附近，那麼第二顆天體的引力可能會影響第一顆行星的運動，那麼第一顆行星的凌日時間就會發生變化（提前或推後）。

這種來自另一顆行星的引力影響也一樣可能會對凌日行星的光變曲線產生干擾，產生類似衛星的光變曲線。不過目前為止我們還沒有通過其他觀測數據發現這個恆星系統中有第二顆行星，所以系外衛星是最直接和簡單的一種解釋。

非常不幸的一點是，Teachey團隊這次申請的觀測時間有點短，以至於在這顆疑似衛星的凌日還沒完全結束的時候，觀測時間就沒了…