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制作：haibaraemily

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

近日，哥倫比亞大學(xué)天文系的Teachey團(tuán)隊(duì)通過哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)宣布他們很可能發(fā)現(xiàn)了一顆系外衛(wèi)星犁柜，名叫開普勒1625b-i洲鸠。如果最終得到確認(rèn)，這將是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆系外衛(wèi)星馋缅。這一成果發(fā)表于10月3日的《科學(xué)·進(jìn)展》雜志[1]扒腕。

不過淤齐，這其實(shí)是Teachey團(tuán)隊(duì)再次確認(rèn)這顆可能的系外衛(wèi)星的存在了，雖然這次依然沒能夠完全確定袜匿。這又是怎么回事呢？

緣起：先有目標(biāo)稚疹，然后去找

我們的太陽系里有恒星居灯，環(huán)繞著恒星的有行星，環(huán)繞著行星的還有衛(wèi)星内狗。

那么太陽系以外的其他恒星系統(tǒng)里也有行星環(huán)繞著恒星轉(zhuǎn)動(dòng)吧怪嫌？這是很自然的推測(cè)，也完全符合我們對(duì)太陽系中行星形成理論的認(rèn)知…然后有人就去找了…然后就找到了…

1992年柳沙，人們?cè)诿}沖星PSR B1257+12周圍確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了第一顆系外行星岩灭，1995年，人們首次在主序星周圍發(fā)現(xiàn)了系外行星飛馬座51b…之后隨著觀測(cè)技術(shù)的提升赂鲤，尤其是開普勒望遠(yuǎn)鏡的貢獻(xiàn)噪径，人們一發(fā)不可收拾地發(fā)現(xiàn)了大量系外行星——而且我們相信，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這么多数初，只等著天文望遠(yuǎn)鏡去發(fā)現(xiàn)更多而已找爱。

那么和太陽系中的行星差不多大甚至更大的系外行星會(huì)不會(huì)有衛(wèi)星環(huán)繞？自然也是很可能有的泡孩，而且越大的系外行星车摄，就越可能有越大越多的衛(wèi)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(wèi)星一樣仑鸥。但只要還沒有真的發(fā)現(xiàn)吮播，我們就不能確認(rèn)有——但我們可以奔著這個(gè)目標(biāo)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(xué)天文系的Teachey團(tuán)隊(duì)眼俊。

怎么找意狠？

尋找系外行星或者衛(wèi)星，有很多成熟的觀測(cè)方式和方法疮胖，其中最常用的一種是凌日（掩星）法摄职，目前為止大約80%的系外行星都是通過凌日法發(fā)現(xiàn)的[2]。

原理非常簡(jiǎn)單：一顆恒星自己會(huì)發(fā)光获列，如果沒有遮擋的話這顆恒星發(fā)出的光始終都一樣亮谷市，也就是說，光變曲線是一條直線击孩。

但有行星飛過時(shí)迫悠，會(huì)遮擋一部分恒星的光，那么在這段時(shí)間里觀測(cè)到的恒星亮度會(huì)變小巩梢。當(dāng)行星飛過之后创泄，會(huì)在恒星的光變曲線里留下一個(gè)U型缺口艺玲。

小個(gè)兒的行星飛過留下小缺口，大個(gè)兒的行星飛過留下大缺口鞠抑。

那如果這顆行星有衛(wèi)星饭聚，應(yīng)該是什么樣？

如果衛(wèi)星在行星后面飛過恒星搁拙，那么應(yīng)該先有行星的遮擋（大缺口）秒梳，

然后再有衛(wèi)星的遮擋（小缺口）。

當(dāng)然箕速，如果衛(wèi)星在行星之前飛過恒星酪碘，那么就會(huì)先有衛(wèi)星的遮擋，后有行星的遮擋盐茎。

還有兴垦，有遮擋未必就是行星或者衛(wèi)星的遮擋，其他不發(fā)光的天體也有可能字柠，這些都需要仔細(xì)排除探越。

不過，這些都只是理想情況窑业，實(shí)際上扶关，系外行星如果個(gè)頭不夠大都很難被發(fā)現(xiàn)，那么更小的衛(wèi)星就更加難以發(fā)現(xiàn)了数冬。

開普勒探測(cè)器的搜索

為了尋找可能的系外衛(wèi)星节槐，哥倫比亞大學(xué)天文系的Teachey團(tuán)隊(duì)在更早之前就認(rèn)真檢查了284個(gè)開普勒探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的系外行星的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

行星獵手開普勒探測(cè)器的假想圖拐纱。來源：NASA

然后铜异，他們真的找到了三次凌日事件有符合條件的疑似信號(hào)，這是系外行星開普勒1625b飛過恒星開普勒1625時(shí)發(fā)生的凌日秸架。這顆恒星位于距離地球約8000光年外的天鵝座方向揍庄，而環(huán)繞它的行星開普勒1625b則是一顆位于宜居帶中的、木星大小的氣態(tài)巨行星东抹。

開普勒數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的三次開普勒1625b的凌日事件蚂子。來源：參考文獻(xiàn)：[3]

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，Teachey團(tuán)隊(duì)首次提出系外行星開普勒1625b可能有一顆衛(wèi)星缭黔，他們稱之為開普勒1625b-i?[3] 食茎。

值得一提的是，這其實(shí)并不是第一顆可能的系外衛(wèi)星馏谨，在此之前還有三顆系外行星J1407b别渔、WASP-12b和MOA-2011-BLG-262被認(rèn)為可能有衛(wèi)星。

但Teachey團(tuán)隊(duì)那時(shí)還不能完全確定這些“小缺口”是真實(shí)的，因?yàn)殚_普勒探測(cè)器的測(cè)光精度不夠高哎媚，不同的數(shù)據(jù)處理方法也可能影響擬合結(jié)果喇伯。

但這個(gè)問題是可以解決的，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)成就有精度更高的大殺器——哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拨与，后者有更大的口徑稻据，光學(xué)精度優(yōu)于開普勒探測(cè)器四倍。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的假想圖买喧。來源：NASA

哈勃望遠(yuǎn)鏡：一次“預(yù)告謀殺”

2017年10月28-29日捻悯，系外行星開普勒1625b將再次凌日（飛過恒星開普勒1625），為此岗喉，Teachey團(tuán)隊(duì)專程申請(qǐng)了40個(gè)小時(shí)的觀測(cè)時(shí)間，來看看“火眼金睛”的哈勃望遠(yuǎn)鏡將會(huì)看到什么炸庞。

這是一次“蓄謀已久”的觀測(cè)钱床，早在2017年Teachey團(tuán)隊(duì)首次宣布這顆衛(wèi)星可能存在時(shí)就已經(jīng)計(jì)劃好了[3]。

而且昭告天下：我們要在下一次觀測(cè)里解決這個(gè)問題埠居！

宛如偵探小說里的“謀殺預(yù)告”查牌。

這次觀測(cè)如期進(jìn)行并順利完成了。

近期滥壕，Teachey團(tuán)隊(duì)宣布纸颜，他們對(duì)這次哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，確認(rèn)在精度更高的哈勃望遠(yuǎn)鏡的凌日觀測(cè)中再次看到了這種“衛(wèi)星可能產(chǎn)生的缺口”绎橘，而且經(jīng)過幾種不同的數(shù)據(jù)處理方式之后結(jié)果依然如此胁孙，由此他們認(rèn)定，這個(gè)“缺口”確實(shí)意味著某種天文現(xiàn)象称鳞，而非觀測(cè)或者數(shù)據(jù)處理的問題涮较。

三種“衛(wèi)星存在模型”下的擬合結(jié)果。來源：參考文獻(xiàn)[1]

第一顆系外衛(wèi)星冈止？目前只是其中一種可能

對(duì)于這次的光變信號(hào)狂票，系外衛(wèi)星是最簡(jiǎn)單直接，因此也是目前可能性最大的一種解釋熙暴。如果確實(shí)是這種情況闺属，那么這顆衛(wèi)星將是第一顆被確認(rèn)的系外衛(wèi)星。

而這顆衛(wèi)星雖然不至于完全打破我們對(duì)太陽系中衛(wèi)星的“常識(shí)”周霉，至少也是有點(diǎn)特殊的存在掂器。

據(jù)推算，這顆系外衛(wèi)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度俱箱，順行或逆行都有可能唉匾。衛(wèi)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(wèi)一有過這樣的情況巍膘，因此它也被認(rèn)為是海王星從柯伊伯帶里捕獲來的厂财。

當(dāng)然，目前的估計(jì)還非常粗略峡懈，作者特意強(qiáng)調(diào)了璃饱，實(shí)際可能沒有這么大的傾角。

海衛(wèi)一的軌道（紅色）和軌道傾角肪康。來源：維基

估算結(jié)果還顯示荚恶，如果真的有衛(wèi)星存在，那么這顆衛(wèi)星距離中心行星約40個(gè)行星半徑磷支，大小和質(zhì)量都將和海王星或天王星相當(dāng)谒撼，也就是說，這是一顆非常巨大的衛(wèi)星雾狈。

考慮到行星開普勒1625b僅僅是一顆木星大小的行星廓潜，這意味著一顆木星大小的天體（11個(gè)地球半徑）擁有一顆海王星大小的衛(wèi)星（4個(gè)地球半徑），這在太陽系中也非常罕見善榛”绲埃或許只有冥王星和冥衛(wèi)一，還有地球和月球移盆，這兩組選手可以與之抗衡（冥衛(wèi)一的半徑大約是冥王星的1/2悼院，月球半徑大約是地球的1/4），而目前認(rèn)為冥衛(wèi)一和月球都是由撞擊形成的咒循。

當(dāng)然据途，我們目前對(duì)行星開普勒1625b大小的估計(jì)也是很粗略的，或許它有木星的幾倍大叙甸，那么有這么大的衛(wèi)星就“正匙蚍玻”多了。不過蚁署，雖然體積很大便脊，但這顆衛(wèi)星的質(zhì)量卻只有母行星的1.5%。

↓ 以木星和天王星來類比的話光戈，目前估算的開普勒1625b和它可能的衛(wèi)星的大小位置關(guān)系大概是這樣的

好消息也是有的哪痰，系外行星開普勒1625b到恒星開普勒1625的距離適宜（差不多是金星到太陽的距離），很可能位于這顆恒星的宜居帶上久妆，據(jù)最新的推算晌杰，表面溫度可能低至30攝氏度，非常宜人了筷弦，所以如果發(fā)現(xiàn)有衛(wèi)星存在肋演，那么這顆衛(wèi)星也可就能位于宜居帶上了抑诸。但壞消息是，開普勒1625b和衛(wèi)星開普勒1625b-i很可能都是氣態(tài)天體爹殊，幾乎不可能適宜生命存在蜕乡。

本次研究還發(fā)現(xiàn)，這顆恒星開普勒1625可能比太陽老得多梗夸，已經(jīng)有90億年了层玲。這么古老的年齡意味著這個(gè)恒星系統(tǒng)中的天體們有足夠長(zhǎng)的時(shí)間來進(jìn)行軌道演化。

但系外衛(wèi)星并不是唯一可能的解釋反症。

還有另一顆行星存在的可能性也還不能完全排除辛块。事實(shí)上，除了亮度的降低铅碍，本次觀測(cè)到的凌日時(shí)間也比預(yù)計(jì)的早發(fā)生了77.8分鐘润绵，這個(gè)現(xiàn)象叫做凌日時(shí)間變化（TTVs）。之所以凌日時(shí)間會(huì)有變化胞谈，是因?yàn)橛辛硪活w天體的引力把凌日行星的運(yùn)動(dòng)拉快或者拖慢了尘盼，這里的“另一顆天體”可能是衛(wèi)星，也完全有可能是另一顆尚未被發(fā)現(xiàn)的行星呜魄。事實(shí)上悔叽，對(duì)凌日時(shí)間變化的觀測(cè)也是目前人們發(fā)現(xiàn)系外行星/衛(wèi)星的一種方法莱衩。

簡(jiǎn)答來說爵嗅，如果一個(gè)恒星系統(tǒng)中只有一顆行星，那么每次發(fā)生凌日的時(shí)間都是固定的[4]：

但如果還有另一個(gè)天體（這里以另一顆行星為例）剛好飛過附近笨蚁，那么第二顆天體的引力可能會(huì)影響第一顆行星的運(yùn)動(dòng)睹晒，那么第一顆行星的凌日時(shí)間就會(huì)發(fā)生變化（提前或推后）。

這種來自另一顆行星的引力影響也一樣可能會(huì)對(duì)凌日行星的光變曲線產(chǎn)生干擾括细，產(chǎn)生類似衛(wèi)星的光變曲線伪很。不過目前為止我們還沒有通過其他觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)這個(gè)恒星系統(tǒng)中有第二顆行星，所以系外衛(wèi)星是最直接和簡(jiǎn)單的一種解釋奋单。

非常不幸的一點(diǎn)是锉试，Teachey團(tuán)隊(duì)這次申請(qǐng)的觀測(cè)時(shí)間有點(diǎn)短，以至于在這顆疑似衛(wèi)星的凌日還沒完全結(jié)束的時(shí)候览濒，觀測(cè)時(shí)間就沒了…

注意看紅色箭頭所指的小缺口并沒有完成一個(gè)U型呆盖。來源：參考文獻(xiàn)[1]

上圖中也可以清楚地看到，這顆疑似衛(wèi)星產(chǎn)生的“小缺口”還沒有完成U型…這也為此次證實(shí)衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的結(jié)論打了折扣贷笛。

何況应又，這還只是哈勃望遠(yuǎn)鏡單次觀測(cè)的結(jié)果，還需要多次重復(fù)觀測(cè)到才令人信服乏苦。

不過別擔(dān)心株扛，Teachey團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為下一次開普勒1625b的凌日（2019年5月）提出了觀測(cè)申請(qǐng)[5]，我們可以靜候佳音。

系外衛(wèi)星洞就？新世界的翅膀

四百多年前盆繁，當(dāng)伽利略第一次把望遠(yuǎn)鏡朝向木星，發(fā)現(xiàn)了四顆伽利略衛(wèi)星之前奖磁，人們不知道除了地球以外改基，太陽系居然還有其他行星有衛(wèi)星存在。

而如今咖为，我們不僅已經(jīng)在太陽系中發(fā)現(xiàn)了近200顆衛(wèi)星秕狰，還發(fā)現(xiàn)了諸多矮行星和無數(shù)的小行星。

1995年躁染，當(dāng)?shù)谝活w環(huán)繞主序星的系外行星飛馬座51b被發(fā)現(xiàn)之前鸣哀，人們不能確信太陽系以外的其他恒星也有行星環(huán)繞。

而如今吞彤，我們已經(jīng)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了3000多顆系外行星我衬，還有大量尚未被發(fā)現(xiàn)或確認(rèn)的系外行星。

曾經(jīng)饰恕，我們以為太陽系是一個(gè)典型挠羔，大部分系外行星系統(tǒng)應(yīng)該和我們的太陽系差不多。

而如今埋嵌，我們發(fā)現(xiàn)或許太陽系只是個(gè)特例：系外行星中有大量距離中心恒星很近的熱木星存在破加，還有各種顛覆了我們想象的奇異行星…

我們?cè)诓粩嗟赝卣刮粗苍诓粩嗟靥魬?zhàn)已知雹嗦。

不管這次的新發(fā)現(xiàn)是否真的來自系外衛(wèi)星范舀，都不會(huì)讓科學(xué)家們停止對(duì)系外衛(wèi)星的搜尋。

更何況了罪，本次哈勃與開普勒的合作還意味著：即使是開普勒數(shù)據(jù)中沒有發(fā)現(xiàn)異常的地方锭环，更高精度的探測(cè)依然可能會(huì)有新發(fā)現(xiàn)。這或許會(huì)成為接下來更高精度的望遠(yuǎn)鏡們努力探測(cè)的方向之一泊藕。

詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）：喵喵喵辅辩？在叫我么？

2017年史密森尼學(xué)會(huì)的《系外行星》一書的開頭把系外行星比作蝴蝶[6] 娃圆，我非常喜歡這個(gè)比喻玫锋。

當(dāng)我們只在自家后院里活動(dòng)的時(shí)候，可能只會(huì)看到一種蝴蝶踊餐，那時(shí)候的我們景醇，可能以為世界上只有這么一種蝴蝶。

而當(dāng)我們邁出院門吝岭，走向更廣闊的天地時(shí)三痰，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)千百 種蝴蝶：大的吧寺、小的、黑白的散劫、彩色的稚机、帶花紋的、不帶花紋的获搏、遷徙的赖条、不遷徙的…有些和我們之前在自家后院看到的差不多，有些則差別非常大…

這時(shí)候常熙，我們會(huì)感到震驚和惶惑纬乍，有些人會(huì)開始質(zhì)疑這些其實(shí)并不是蝴蝶，而是其他動(dòng)物…但只要我們不斷積累經(jīng)驗(yàn)裸卫，見識(shí)越來越多的動(dòng)物仿贬，我們終會(huì)有能力證實(shí)它們、分辨它們墓贿。

或許終有一天茧泪，我們會(huì)忽然意識(shí)到，一個(gè)嶄新的世界早已為我們展開了絢麗而迷人的翅膀聋袋，只是那時(shí)候的我們還沒有意識(shí)到队伟。

所以，加油向前走吧幽勒！

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參 考

[1] Teachey, Alex; et al. (2018). "Evidence for a large exomoon orbiting Kepler-1625b". Science Advances. 4 (10). doi:10.1126/sciadv.aav1784

[2] https://exoplanets.nasa.gov/5-ways-to-find-a-planet/

[3] Teachey, Alex, David M. Kipping, and Allan R. Schmitt. "HEK. VI. On the Dearth of Galilean Analogs in Kepler, and the Exomoon Candidate Kepler-1625b I." The Astronomical Journal 155.1 (2017): 36.

[4] https://www.youtube.com/watch?v=rqQ1xKsNIQE

[5] Nature News | Suspected first exomoon comes into tantalizing focus

https://www.nature.com/articles/d41586-018-06918-9

[6] Summers, Michael E., and James Trefil.Exoplanets: Diamond Worlds, Super Earths, Pulsar Planets, and the New Search for Life Beyond Our Solar System. Smithsonian Institution, 2017.