太陽系外行星擁有衛星嗎？

太陽系中至少有180顆天然衛星。在認識太陽系行星的形成和演化中，這些衛星扮演了重要的角色。然而，到目前為止天文學家還沒有在環繞其他恆星的行星周圍找到任何一顆衛星。該藝術概念圖中所示的是一顆環繞著太陽系外氣態巨行星的類地衛星。版權：CfA。

我們太陽系坐擁至少180顆衛星。現在天文學家已經開始尋找其他行星系統中的衛星。

在非洲大草原上，有一架小望遠鏡正睜大眼睛緊盯天空。在南極的冰原上，有一架更大的望遠鏡也在凝視著同一片天區。它們都隸屬於一項國際合作，旨在發現太陽系之外的第一顆衛星。

2017年，一大批望遠鏡對準了繪架β，它是南天中距離亮星老人星僅6°的一顆中等亮度恆星。它的特殊之處在於擁有行星繪架βb，後者是通過直接成像發現的少數幾顆行星之一。從2017年4月到2018年1月，這顆大質量行星會從非常靠近其宿主恆星與地球連線的地方經過。這一近距離掠過可以為搜尋和研究該行星周圍的物質（例如，環）提供罕見的良機。如果再加上一點運氣，興許還能發現它的衛星，即太陽系外行星的衛星。

圖1 天文學家第一次直接追蹤到了一顆太陽系外行星（圖中心區內的大白點）從其宿主恆星（圖中央的小白點）的一側運動到另一側。它就是繪架βb，有著迄今所有被直接成像太陽系外行星中最小的軌道，它到宿主恆星的距離與土星到太陽的距離相當。這幅圖像由2003年、2006年和2009年對繪架β的觀測結果合成，清晰地顯示出了繪架βb的運動。版權：ESO/A.-M. Lagrange。

在太陽系大家庭中，衛星極為豐富。只有水星和金星沒有衛星。因此，認為在太陽系外行星周圍存在大量衛星也是很自然的推測。然而，目前還沒有發現它們的任何蹤跡，這裡的部分原因是技術上的。小型岩質行星本身就難以探測，更微小的衛星無疑是極大的挑戰。運氣也是原因之一。雖然科學家們正在使用一系列的手段來搜尋太陽系外衛星，但每一種方法都需要目標與地球之間具有特殊的構形。

即便如此，此前最大的搜尋專註於熱類木星，這類大質量氣態巨行星繞其宿主恆星一周僅需數天甚至數小時。如果它們是從該行星系統的外部向內遷移到今天所在位置的，那許多科學家預計它們可能會沿途流失自己的衛星，或者在與其宿主恆星的引力拉鋸戰中失去它們。

不過，對於繪架β來說，恆星和行星的位置似乎很合適。該系統有著一顆相當於在土星到太陽的距離上公轉的氣態巨行星繪架βb，應該足夠遠能維繫住自己的衛星。此外，這顆恆星的年齡僅約2000萬年。於是，就算在行星系統青年期普遍具有的劇烈相互作用會剝離掉它的衛星，但目前這些衛星仍很有可能還在原地。

更為重要的是，該行星周圍區域中的任何光環或衛星會在10個月的時間裡穿過繪架β和地球間的連線，距離最近的時間為2017年8月底。由此也許可以發現隱藏在這顆氣態巨行星周圍的這些衛星或光環。

有限的機遇

雖然搜尋太陽系外衛星的天文學家在2016年就開始把目光轉向了繪架β，但它其實早就聞名於天文學界了。20世紀80年代，科學家就在這顆年輕恆星的周圍發現了一個氣體和塵埃盤，自此它就聚集了大量的關注。20世紀90年代，天文學家在這個盤中探測到了翹曲，表明那裡存在一顆尚未被發現的行星。但直到2009年通過直接成像才確認了行星繪架βb的存在。這顆氣態巨行星的質量是木星的10倍左右。

圖2 在恆星繪架β周圍存在一個氣體和塵埃盤。阿塔卡馬大型毫米波陣對它的觀測發現，在這個盤中充滿了一氧化碳氣體。這表明繪架β行星系統最終也許會演化成一個適宜生命的地方。在該系統的外圍，一顆假想的行星（左下角）正在擾動彗星，使它們發生碰撞。版權：NASA/GSFC/F. Reddy。

此後的圖像顯示，它的軌道會非常靠近從地球上看繪架β的視線方向。如果它能從其宿主恆星前方經過，被它遮擋的星光能揭示出有關它的更多信息。通過使用這一技術，被稱為凌星方法，美國宇航局的開普勒空間望遠鏡發現了數千顆太陽系外行星。

懷揣著繪架βb也會是一顆凌星行星的希望，天文學家計算了它的軌跡。但令人失望的是，它的軌道恰好在從地球看其宿主恆星的視線方向之外。不過，天文學家很快意識到，它的希爾球會經過這一方向。希爾球是一顆行星周圍其引力比宿主恆星引力更強的區域，在那裡環或衛星可以繞該行星轉動。如果繪架βb有一個朝地球傾斜的大質量環系統，就有可能會被看見；一顆大質量的衛星也是如此。

但發現它的前提是有天文學家去尋找它。

遠近的衛星

在幫助科學家認識行星的形成和演化中，太陽系的衛星扮演了重要的角色。例如，木星的四顆大型衛星——木衛一、木衛二、木衛三和木衛四——有助於了解在木星剛形成時周圍的水是如何分布的。

這四顆衛星就像木星周圍吸積盤中水或溫度的示蹤器，而這個盤在今天早就消散了。太陽系外衛星也能揭示出其他行星系統中的類似特性。科學家目前還不確定行星到底是如何形成的；太陽系外衛星會有助於澄清這一過程。這些衛星可以充當標尺來校準巨行星形成的有關模型。

探測一顆單獨的太陽系外衛星會是一項巨大的挑戰。在繪架βb的整個希爾球從2017年4月初至2018年1月底發生凌星時，在2天的時間裡一顆從地球上可探測的大質量衛星（若真的存在）會從那裡擦肩而過。在整個這段時間裡，它也許只會凌星一次。為了確認一顆太陽系外行星，科學家通常必須要觀測到至少3次凌星，才能排除其他的可能性。由於繪架βb的軌道周期超過20年，再加上在一些凌星的過程中未必能看見這顆衛星，以這種方式來確認它的存在需要大概100年的時間。

圖3 在近紅外波段下對繪架β的直接成像。在非常仔細地扣除了亮得多的恆星光暈之後，顯現出了這一十分暗弱的區域。在這幅圖的外部是塵埃盤所反射的光，圖的內部則是其最靠近恆星的區域，在那裡可以看見一個比繪架β暗1000多倍的天體，它就是太陽系外行星繪架βb。版權：ESO/A.-M. Lagrange等人；文字處理：張一潔。

大質量環則相對更容易探測一些。雖然土星擁有太陽系中最壯觀的光環系統，但其實所有巨行星都有光環。不過，土星的光環仍是個謎，因為它的預期壽命要遠遠短於太陽的年齡。碰撞衛星的殘骸是它可能的源頭之一。太陽系外行星很可能也擁有類似的光環系統。像繪架βb這樣年輕的行星也許仍保留有一個能令土星環也相形見絀的原始光環系統。

事實上，2007年天文學家在環繞恆星J1407的一顆行星周圍就發現了一個大質量的光環系統，這顆恆星的年齡僅比繪架β年輕幾百萬年。這個巨大光環的直徑是土星環的近200倍。與土星衛星會在光環中開鑿出環縫一樣，在這個光環中也擁有很可能是其衛星的引力所清理出的環縫。

有意思的是，雖然可以看見了光環，但這顆行星卻至今仍未被發現。它的衛星也沒有被直接探測到；它們存在的證據仍是間接的。雖然天文學家一直緊盯著恆星J1407，但這些環再也沒有發生過凌星。沒有看見行星，就無法確定它的軌道，也就無從知曉下一次凌星會在何時發生。

同樣的事情也許會發生在繪架β及其行星身上。相比J1407，它更有利於來探測潛在的光環。兩者的不同之處就在於，科學家知道繪架βb何時會運動到地球和其宿主恆星之間。

還有一個原因使得天文學家對於發現其光環顯得樂觀。因為繪架β是一顆相對較亮的4等星，在漆黑的地方用肉眼就能輕易地看見它，天文學家一直用它作為標準星來校準對其他天體的觀測。1981年，一個奇怪的波動在2個星期的時間裡改變了這顆恆星平日里穩定的亮度，也給天文學家帶來了一個謎團。根據計算，這很有可能是當時繪架βb的希爾球凌星所致，暗示這顆行星周圍的某些東西遮擋住了星光。因此，雖然該行星自身不會凌星，但它的光環很有可能製造出了這一信號。

繪架βb希爾球延伸出的長度相當於從地球到太陽的距離。天文學家能從地球上探測到的任何光環都必定十分巨大。如果它顯現了與J1407行星周圍光環相似的環縫信號，就可以為它擁有衛星提供線索。通過太陽系外衛星在光環系統中所開鑿出的縫隙來搜尋它們，應該是可行且令人激動的。

全球大搜索

繪架β位於南天，這限制了觀測，因為南半球的望遠鏡要遠少於北半球。因此，天文學家決定從太空來尋找。哈勃空間望遠鏡在凌星期間對其進行了數次觀測。第一次觀測是在2017年6月中旬，用來尋找這顆新生行星周圍的物質。2017年8月初進行了第二次觀測。對這些數據的初步分析一無所獲。之後從2017年10月初到11月底又進行了3次觀測，最終的結果仍待公布。

此外，天文學家想知道，希爾球中水和其他成分的含量是否會存在變化，就像地球大氣中較輕的成分會漂移到距離地表更高的地方一樣。為了探測氫、氮、碳和氧原子，必須要藉助紫外光，由於地球大氣會吸收這些輻射，因此只能從太空中進行觀測。天文學家還希望能研究繪架βb周圍氣體和塵埃的運動情況。如果真有一顆衛星在繞它轉動，那這將有助於確定形成它的原始物質。除了研究行星繪架βb之外，天文學家還在使用哈勃空間望遠鏡來研究繪架β周圍的彗星，搜尋這些太陽系外彗星在該恆星光譜中所留下的吸收信號。

圖4 2003年哈勃空間望遠鏡對繪架β的觀測清晰地顯示，除了一個主塵埃盤之外，它還有一個暗得多的次級塵埃盤。這個小塵埃盤與主盤的夾角約為4°～5°，從恆星向外延伸可達380億千米左右。次級塵埃盤的存在暗示那裡有一顆有著相似傾角的行星。版權：NASA/ESA/D. Golimowski等人。文字處理：張一潔。

遠比哈勃空間望遠鏡小得多的是亮目標探測器星座（Bright Target Explorer Constellation），它是一個研究天空中最亮恆星的納衛星陣列（array of nanosatellites）。五架20厘米望遠鏡中的第一架已於2013年2月發射，用來研究恆星的星震。就像地震能揭示地球的內部結構，星震也能揭開恆星內部正在發生什麼。

亮目標探測器星座此前就觀測過繪架β。現在它又重回該望遠鏡的視野。在凌星開始前，天文學家精確測量了它的振蕩模式。因為對希爾球的觀測需要考慮繪架β的脈動。有關的模型將幫助其他科學家去除該恆星自身所引起的亮度變化，僅留下光環或衛星的信號。雖然這些觀測並不能在凌星時直接研究繪架β，但這些恆星振蕩在短時間內會一直存在。但理論上，它會像一口鐘一樣震動很長時間。

雖然哈勃空間望遠鏡有能力探測到大小與木衛一或木衛三相當的衛星，但該衛星正好能進入它視場的概率實在太小了。要是當哈勃空間望遠鏡指向繪架βb的時候恰逢發生為期僅2天的衛星凌星，那天文學家的運氣實在是好到家了！

地面上的望遠鏡所能提供的幫助並不多，尤其是在凌星的早期階段。直到年末繪架β才能上升到南半球天空的最高處，因此在8月前地面上的設備幾乎無法看到它。

在冰冷的荒原上

但地球上有一個地方在南半球的整個冬季都可以看見繪架β，那就是南極。冬季使得這個封凍的大洲沉浸在黑暗之中，因此從5月到7月它是地球上唯一一個能看見這次凌星的地方。

法國蔚藍海岸天文台此前剛從那裡搬走了一台望遠鏡。這台設備在南極工作了4年來搜尋太陽系外的凌星行星，於2013年底被運回了法國。當得知了這一情況之後，法國天文學家很樂意把這架40厘米的望遠鏡重新安裝到南極洲南部。

雖然這是一台很棒的望遠鏡，但要想在南極運轉還是必須要面對許多挑戰。普通的電纜在零下50℃時會和玻璃一樣脆，因此在連接時需要格外小心。當溫度降到零下80℃時，即便在有加熱的情況下，針對零下20℃設計和製造的電子器件也會開始出問題。

雖然南極幾乎不下雪，但會形成冰。這架望遠鏡被放置在一個地處海拔3000米高原上的基地內，當有風吹過時，冰就會把它覆蓋住。霜和結露也是需要應對的問題。出現的任何技術問題都只能遠程解決。冬季該基地僅有十幾人駐留，他們都不是天文學家。雖然能修理機械問題，但無法解決科學所關心的問題。

只有克服了所有這些困難，才能在極其優異的條件下進行一晚真正好的觀測活動，而這絕非易事。儘管南極是南半球整個冬季唯一能很好地觀測繪架β的地方，但它並不是能觀測其凌星後期階段的唯一地點。8月以後，智利和南非的望遠鏡也能開始對其進行觀測，只要它和太陽的距離拉得足夠大。

天文學家專門為此造了一台地面望遠鏡。2017年1月，在南非天文台所在大草原上「繪架βb環」相機被安裝到位。大小與迷你冰箱相當，這架望遠鏡就位於其他更大的設備旁，它的照相機則緊盯著南方。每過6秒鐘它就會拍攝一幅圖像，內置的三台計算機會處理有關的數據，然後把它們發回總部。第二架「繪架βb環」相機安裝在澳大利亞，它們基本上能實現對夜空的連續覆蓋。如果在繪架βb的希爾球內有一系列大型的環，那應該能被它探測到。

圖5 太陽系外行星繪架βb的藝術概念圖。事實上，它是第一顆被測定自轉周期的太陽系外行星。它的一天只有8個小時，所對應的赤道轉速高達每小時100000千米，遠比太陽系中任何行星都快得多。版權：ESO/L. Cal?ada/N.Risinger。

雖然天文學家相信他們會看到某些東西，只是目前還不確定何時以及這個信號有多強。在這個過程中，全世界各地的天文學家各司其職，旨在揭開繪架β的更多秘密。一旦有了任何發現，相關的信息會立即與其他天文學家共享，希望由此能激起更多天文學家對繪架β的關注。這是一項朝著發現太陽系外第一顆衛星所做出的不平凡努力。

責任編輯 張長喜

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