科学家发现了一颗疑似系外卫星 约地球2.6倍大

科学家发现了一颗疑似系外卫星 约地球2.6倍大
2022年01月20日 11:25 新浪科技
NASA开普勒望远镜的概念图。NASA开普勒望远镜的概念图。

  新浪科技讯 北京时间1月20日消息,据国外媒体报道,在过去30年间,系外行星领域的研究可谓一路突飞猛进。到目前为止,共有3677个行星系中的4903颗系外行星已得到证实,还有8414颗尚待确认。这些行星十分丰富多样,从“超级木星”到“超级地球”、再到“迷你海王星”和“水世界”,都为我们抛出了许多与行星形成和演化相关的问题。其中有一个问题尤为重要:天然卫星、或者说“系外卫星”究竟扮演了什么角色?它们之间又有哪些共通之处?“

  考虑到太阳系中卫星的数量,我们完全可以据此推断,卫星在银河系中无处不在。然而,虽然已知的系外行星已多达上千颗,但至今没有经过证实的系外卫星供我们研究。不过在哥伦比亚大学教授大卫·基平、以及一支国际天文学家团队的努力下,这种局面或将改变。在近期一项由NASA支持的研究中,基平和同事们报告了他们在分析开普勒太空望远镜数据时发现的一颗疑似系外卫星。

  该研究团队成员来自加州理工学院NASA系外行星科学研究所、NASA艾姆斯研究中心、麻省理工学院卡弗里天体物理学与太空研究所、加州大学洛杉矶分校莫尼·布米克理论物理研究所、苏黎世联邦理工学院粒子物理与天体物理研究所、以及台北中央研究院天文学及天体物理学研究所。

艺术家想象中的一颗宜居卫星。艺术家想象中的一颗宜居卫星。

  基平教授由于在系外行星领域所做的开创性研究闻名海外。多年来,他和同事们一直在探索对系外行星开展研究和性质描述的方法。此外,基平教授还是“开普勒系外卫星搜索项目”的首席研究员。该项目与哈佛大学史密森尼天体物理中心联办,致力于在开普勒任务收集的数据中找到系外卫星存在的证据。基平在一封邮件中写道:

  “天文学家一般分为两类,一类想弄清宇宙的运作原理,另一类则想知道是否存在外星生命。而系外卫星对这两类天文学家都很重要。对前者而言,系外行星能为我们举例说明,宇宙中其它地点的卫星会以何种形式存在。例如,每当我们仰望月球时,都忍不住思考,它的形成究竟是亿万分之一的运气使然,还是行星形成过程中的必然结果。”

  “对后者而言,卫星有可能成为生命的家园,这也是科幻小说的常见题材。既然NASA的首要目标之一是了解类地天体的普遍性,寻找卫星自然是其中的必要一环。事实上,就我们所知,宇宙中大部分的宜居环境也许都位于卫星上。”

  月球是地球唯一的天然卫星,其形成和演变与地球本身紧密相关。根据“大碰撞说”,大约45亿年前,一颗火星大小的天体(名叫“忒伊亚”)撞上了原始地球,由此形成了如今的地球和月球。此外还有一些科学家推测,这次剧烈撞击或许正是地球现在如此宜居的原因。还有一种理论认为,月球有助于维持地球内部物质的流动,由此产生的磁场可以保护我们不受太空辐射伤害。出于以上原因,基平和同事们对系外行星系展开了研究,寻找探测系外卫星的途径。他们采用的方法之一叫做“凌日时间变分法(简称TTV)”,将系外行星出现的引力波动解读为卫星造成的影响。另一种方法是通过凌日光度测定法,寻找正在经历凌日过程的系外卫星。

  2017年,基平与开普勒系外卫星搜索项目团队发现了目前为止最有希望的系外卫星“候选人”:开普勒-1625b-i。通过开普勒望远镜的凌日法测定结果,该团队发现了距地球8000光年之外、一颗海王星大小的系外卫星(或者双行星)围绕一颗类似太阳的恒星旋转的证据。一年后,他们又发布了由哈勃望远镜收集的新证据,进一步佐证了之前的发现。由于系外卫星探测难度很大,开普勒-1625b-i至今仍是唯一的疑似系外卫星。如基平所说:

  “系外卫星的探测颇具挑战性,因为它们一般比行星小,所以很难发现;它们的信号也容易与行星凌日信号混在一起、难以区分。寻找系外卫星的方法有很多很多。但从简洁性的角度考虑,凌日法应该是最有效的方法,在系外行星的寻找中取得了很大成功。而且凌日现象是重复性事件,让我们有机会对假说进行验证。”

艺术家想象中、从一颗围绕三恒星系统旋转的行星的卫星上所见的情景。艺术家想象中、从一颗围绕三恒星系统旋转的行星的卫星上所见的情景。

  如上文所述,天然卫星在太阳系中的气态/冰质巨行星周围十分常见。这些行星的轨道全都在冰冻线之外,因此“比较寒冷”(与炽热的木星和海王星相比)。对于气态和冰质的系外巨行星来说,或许也是同理。受此启发,基平和同事们对开普勒望远镜收集的数据进行了检索,寻找系外卫星与其围绕的行星共同经历凌日的迹象。

  “据我们推测,像木星那样炽热的行星周围有卫星的可能性不大,因为不适合卫星‘存活’。我们认为寒冷的巨行星是最佳搜寻目标,但也只是猜测而已。”

  为进一步验证这一假说,基平和同事们对开普勒望远镜收集的寒冷气态巨行星的历史数据进行了分析。这些行星体积约为木星两倍大,轨道周期在400天以上。在排除了凌日次数不足两次(以及结果疑似假阳性)的天体后,他们总共筛出了73颗系外行星,作为考察样本。接着,他们在“行星+卫星”和“只有行星”的模型基础上、对这些样本展开了分析,判断在何种情况下,出现“行星+卫星”的可能性最大。最终他们认为,开普勒-1708b是最有希望的“候选人”。

  “这是唯一一颗通过了我们能想到的所有检验的天体。”基平指出,“最好的解释就是,它发出的是凌日信号,最适用的天体物理模型也是‘行星+卫星’模型。在开展了大量测试后,我们找不到任何理由淘汰这一假说。”

  当然,这项研究仍处于初期阶段。基平和同事们也承认,寻找探测方法和精进技术都需要一定时间。“我相信我们可以从已经取得的这些成功出发,最终找到体积更小的卫星。到时候,我们也许不会对它们的性质感到犹疑不定,因为它们可能与太阳系中的卫星有许多相似之处。”

  此外,随着詹姆斯·韦伯和南希·格雷斯·罗曼等新一代太空望远镜的问世,对系外行星和系外卫星的研究将从中受益良多。如今詹姆斯·韦伯望远镜终于升空,镜面和防热罩也已部署完成,天文学家预计它在六个月之内便可开始拍摄工作。与此同时,极大望远镜、大麦哲伦望远镜等地面望远镜也将把系外卫星的搜索范围进一步缩小。

  利用其巨大的主反射镜、分光仪、日冕观测仪、以及自适应光学仪器,这些观测站将对系外行星展开直接成像研究。在它们的帮助下,我们也许可以找到发现离恒星较近的小型岩质类地行星,或许还能发现围绕其旋转的系外卫星在光谱中留下的蛛丝马迹。(叶子)

系外卫星
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