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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。它們的信號可能隱藏在星光微弱的亮度變化，或是漫長(cháng)閃爍周期的短暫波動(dòng)中。

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

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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）親自搭建起了一臺折射式望遠鏡，并將其對準土星。他認為這個(gè)行星周?chē)h(huán)繞著(zhù)一個(gè)固態(tài)環(huán)，打算觀(guān)測這個(gè)環(huán)的傾角如何隨時(shí)間變化。不過(guò)他卻在觀(guān)測過(guò)程中看到了一些意料之外的東西——一個(gè)巨大的衛星（現在我們稱(chēng)之為土衛六或泰坦星）。土星成為了繼地球和木星之后，第三個(gè)被發(fā)現具有衛星的行星。在太陽(yáng)系中，土星那樣的環(huán)的確很罕見(jiàn)，不過(guò)衛星則是司空見(jiàn)慣了。

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直到20世紀末，人類(lèi)所知的行星還僅是包括地球在內，沐浴著(zhù)太陽(yáng)光芒的8顆系內行星。不過(guò)，從上世紀90年代開(kāi)始，人類(lèi)對行星的認識有了變化，當時(shí)天文學(xué)家發(fā)現了第一顆太陽(yáng)系外行星。而到2009年，當開(kāi)普勒空間望遠鏡將它的鏡頭對準宇宙深處時(shí)，過(guò)去的認識更是被徹底顛覆了。我們現在知道宇宙遍布著(zhù)行星，其數量遠比恒星要多。我們尚未找到一顆看上去像是地球的行星，或證明某個(gè)系外行星擁有衛星，但是我們正在一步步接近這些目標。

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21世紀初期，當天文學(xué)家通過(guò)遮擋星光找到一些系外行星時(shí)，他們就開(kāi)始考慮系外衛星了，而從2018年開(kāi)始的一些研究也發(fā)現了幾個(gè)有希望的候選體。實(shí)際上，能夠準確定位一顆太陽(yáng)系外行星的衛星，將會(huì )是我們認識宇宙的又一塊里程碑。通過(guò)這項工作，我們將會(huì )確認這些衛星在宇宙中到底是無(wú)處不在的，還是稀有罕見(jiàn)的；相對于它們的宿主行星普遍偏大還是偏??；它們是通常伴隨著(zhù)母體行星形成，還是在行星形成之后的一次災難性事件中誕生；這些衛星是結伴形成，還是單獨出現。

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中國臺灣“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，系外行星Kepler-1625b可能擁有一顆衛星。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一無(wú)二的呢？就像我們開(kāi)始觀(guān)察到那些古怪的系外行星系統一樣，我們可能會(huì )很驚訝于系外衛星的奇特?！?/p>

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插圖：戴維·帕倫博（David Palumbo）

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衛星紅利

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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，地球仍舊是獨特的。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)用活躍的內部活動(dòng)塑造了表面的行星——板塊構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，它的季節規律性更替，能長(cháng)期維持穩定，它同時(shí)也和太陽(yáng)保持著(zhù)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，月球持續冷卻，并且不斷遠離地球。隨著(zhù)時(shí)間推移，月球遠離，地球因為引力作用開(kāi)始變得更圓，地殼在月球潮汐力下彎曲。地殼的變形可能導致了早期板塊的出現。同時(shí)，月球的遠離也減慢了地球的自轉，每經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀，就會(huì )讓地球的一天變長(cháng)大約兩毫秒。

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相對于地球來(lái)說(shuō)，月球非常重，我們所處行星的質(zhì)量?jì)H是衛星的81倍。相較于太陽(yáng)系其他的行星-衛星系統來(lái)說(shuō)，這個(gè)比值很小。正是因為質(zhì)量比值小，月球引力保證了地球的自轉軸始終相對于公轉軸保持23.5度的傾斜，這個(gè)穩定的結構保證地球長(cháng)久不變的季節更替。除此之外，地球海洋的潮汐主要是月球引起的，這種現象塑造了海岸線(xiàn)，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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地球的衛星——月球——塑造了我們地球的歷史，并且幫助地球成為生命的宜居地（圖為從國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)有衛星將會(huì )完全不同。沒(méi)有衛星的系外行星可能只是毫無(wú)生機的石頭，注定像火星一樣隨著(zhù)時(shí)間流逝發(fā)生傾斜，時(shí)而極寒時(shí)而酷熱，大氣無(wú)法穩定存在，生命也注定無(wú)法長(cháng)久。系外衛星如果存在，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星的行星，甚至是衛星本身。

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惠更斯不知道的是，他所發(fā)現的土衛六，那顆橘紅色的星球上充斥著(zhù)甲烷和乙烷的江河湖海，實(shí)在太像一顆行星了。雖然對于我們或者任何我們已知的生物來(lái)說(shuō)，土衛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(zhù)它為混合生命所需的要素提供了機會(huì )，也就是為孕育生命提供了機會(huì )。反觀(guān)其宿主行星土星，由于具有太強的引力和大團的氨氣，永遠沒(méi)法成為孕育生命的搖籃。類(lèi)似的情況對于木星同樣適用，木星像是半個(gè)恒星，具有強大的輻射帶以及對地球生命來(lái)說(shuō)致命的氣體層，但是它的衛星就不一定有這樣的問(wèn)題。

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“根據對太陽(yáng)系的了解，我們認為像木星這樣的行星可以有相當大的衛星，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)像地球一樣的衛星，上面還可能存在生命?；谶@個(gè)想法，同時(shí)考慮到衛星的數量，我們推測或許衛星上的生命會(huì )比行星上的更常見(jiàn)?！?/p>

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換句話(huà)說(shuō)，系外衛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，尋找系外衛星將會(huì )讓我們在理解衛星的同時(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)普勒空間望遠鏡開(kāi)始觀(guān)測之前，天文學(xué)家就猜測整個(gè)宇宙充滿(mǎn)了像地球這樣的生命家園，并且它們也有自己的衛星?，F在在巴黎天文臺工作的保拉·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星。

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如果一顆恒星和它的行星排列的平面與視線(xiàn)方向平行——就好比你從太陽(yáng)系平面的側面觀(guān)測，而不是從垂直于太陽(yáng)系平面的方向觀(guān)測一樣——恒星會(huì )因為行星經(jīng)過(guò)而被遮擋了部分的光線(xiàn)，從而亮度周期性降低。這種類(lèi)似于日食的現象叫做凌星。當凌星現象以一個(gè)固定的周期重復，我們通常就可以確定，存在一個(gè)環(huán)繞恒星運行的天體導致其亮度變暗。開(kāi)普勒望遠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為，距離其宿主行星較遠的衛星，也可以利用類(lèi)似的方法探測，只要在凌星的時(shí)候，衛星在其宿主行星的旁邊。更確切地說(shuō)，如果衛星距離宿主行星足夠遠， 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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他們還認為，縱使系外衛星距離它們的宿主行星很近，使得二次變暗不大可能出現，天文學(xué)家仍然有可能通過(guò)觀(guān)察行星重復性的凌星模式隨著(zhù)時(shí)間的變化，進(jìn)而推斷衛星的存在。通常來(lái)說(shuō)，凌星現象應該類(lèi)似于節拍器一樣準確地重復，但是有時(shí)它們會(huì )稍稍偏離，比科學(xué)家預想的提早或延遲一點(diǎn)。這種凌星時(shí)變效應往往是因其他繞宿主恒星旋轉的行星引力拖拽而產(chǎn)生，但是也可以由附近巨大的衛星導致。

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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中得到不少啟示。嚴格地說(shuō)，月亮并不是圍繞地球運動(dòng)的，地球和月球是在繞著(zhù)它們的質(zhì)心旋轉。不過(guò)，地月系統的質(zhì)心始終都在地球上，因為地球相對于月球來(lái)說(shuō)還是重得多。（準確來(lái)說(shuō)，地月系統的質(zhì)心位于地幔某一處，偏離地球的中心。）因此一個(gè)很自然的結果是，地球圍繞太陽(yáng)公轉的時(shí)候，會(huì )輕微地偏離公轉軌道擺動(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)普勒望遠鏡的數據，來(lái)尋找系外衛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星。最終，他們找到了一個(gè)候選者：Kelper-1625b。

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他們申請了哈勃空間望遠鏡的觀(guān)測時(shí)間，令人驚喜的是申請被批準了。接著(zhù)他們花費了將近一年的時(shí)間來(lái)研究哈勃望遠鏡的數據，其中還包括學(xué)習如何運用這些數據的時(shí)間?；胶吞┣凶罱K完成了他們的分析，哈勃望遠鏡的觀(guān)測結果表明，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星。數據的分析結果顯示，行星的凌星時(shí)間每五年就會(huì )變化20分鐘?！拔覀冎赖拇_存在什么東西在擾動(dòng)這顆行星，”基平說(shuō)，“并且我們認為它就是這顆行星的衛星?！?/p>

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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(chēng)有證據支持存在一個(gè)海王星大小的衛星環(huán)繞Kepler-1625b旋轉，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(chēng)自己發(fā)現了太陽(yáng)系外衛星?！拔矣X(jué)得人們可能對于我們報道這個(gè)發(fā)現的方式很失望，”泰切說(shuō)，“人們認為我們試圖通過(guò)這項發(fā)現博取聲望，但還給自己留了后路，因為我們并沒(méi)有完全申明這個(gè)發(fā)現。我理解人們失望所在——這顆衛星到底存在嗎？但目前還有太多太多的未知因素?！?/p>

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在泰切和基平發(fā)表自己的研究結果之后，其他天文學(xué)家也踴躍參與到這項研究中。德國馬普太陽(yáng)系研究所的天文學(xué)家雷內·海勒（René Heller）重復了泰切的部分工作，但認為沒(méi)有足夠的證據支持衛星的存在。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果之后的幾個(gè)月里，天文界對系外衛星的關(guān)注不斷增加。很快，就有不同的研究團隊相繼聲明找到了系外衛星。這些可能的系外衛星都身處何方，研究人員是怎樣找到它們的？

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但另一方面，直到現在，系外衛星的確鑿觀(guān)測證據目前仍然難以獲取。面對技術(shù)上的難題，天文學(xué)家想出了怎樣的解決方案？

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