系外卫星:天文学家首次发现

cbj发表于2018-10-22 00:00:00

在《星球大战VI》里我们第一次见到生活在恩多(Endor)森林卫星(forest moon)上的伊渥克人(Ewoks)。恩多行星本身是一个气态巨行星,但森林卫星是一个适宜居住的地方,居住着毛茸茸的小生物。虽然我们可能并不生活在星球大战的宇宙中,但天文学家们现在已经发现了第一个证据,表明卫星是绕着一颗外星系的气态巨行星运行。

新发表在《科学前沿》(Science Advances)上的研究表明,有迹象显示木星大小的系外恒星Kepler-1625b的轨道上就有这样一个“系外卫星”。Kepler-1625b围绕着黄色母星以287天的周期运行,距离与地球绕太阳运行的距离相同。因此,它和其卫星很可能在恒星的“宜居带”(habitable zone)中,平衡温度可能达到300-350开(27-77℃)。

然而,在对发现伊渥克人(Ewoks)的前景感到兴奋之前,应该注意到该系外卫星(正式命名为开普勒-1625b-i)的半径约为地球的四倍,质量约为地球的16倍,事实上它的大小和质量与海王星相似。因此,它的表面不太可能是固态的,很可能主要是气态的,就像它每22天绕行一次的行星一样。

系外行星最初是通过凌日技术(transit technique)发现的,即一颗行星沿着我们的视线从其主星前方经过,导致恒星的亮度略微变暗(木星大小的行星围绕太阳大小的恒星运行时,亮度下降约为1%)。因此,恒星亮度的这种下降是系外行星的“光标志”。

显然,一个外星可能会产生额外的传输信号,但对于一个与地球的卫星大小相当的物体来说,变暗的程度只会达到百万分之十左右,因此很难探测到。更复杂的是,卫星信号在每一个时代都会与主行星处于不同的位置,因此卫星凌日将不会严格地重复,而且一颗行星周围的多个卫星间的影响也会将可观测信号消除到无。

木星本身有超过70个已知的卫星,其中四个在尺寸上与地球相当,因此系外行星系统并不会出现多个卫星信号。

该研究的作者在2017年发表的研究结果首次暗示了在开普勒-1625系统中可能有外星存在。在这项研究中,他们分析了来自行星主星的开普勒卫星的284条光线曲线,这些恒星被认为是包含系外行星系统的合理候选者。他们在绝大多数系统中都没有发现系外行星的证据,但是开普勒-1625显示了亮度微小下降的强烈迹象,这构成了一个外星信号。

检测系外行星

为了证实他们的初步探测,新研究背后的团队使用了哈勃太空望远镜于2017年10月开始对开普勒-1625进行高精度测量。他们在40小时内观测到了开普勒-1625b行星整个预计的凌日过程。

在分析了数据后,他们发现这颗行星比预期的要早77.8分钟。这被解释为一种所谓的“凌日时间变化”,是由一个看不见的物体用不明原因的引力拖曳行星造成的。同样的技术以前也曾被用来确定具有多个凌日行星(transiting planets)的系统中的行星质量,在这些系统中,每颗行星都会牵引其他行星,从而导致这种时间上的变化。例如,Trappist-1由七颗行星组成的凌日系统呈现出强烈的凌日时间变化。这使得天文学家能够直接从传输光曲线中提取出行星的质量。

艺术家对这颗系外行星和外星穿越恒星的印象。图片来源:Dan Durda

开普勒-1625b数据中所看到的凌日时间变化也可能是由于一颗看不见的系外卫星的存在,扰乱了这颗气体巨行星的轨道。或者,它可能是由系外卫星引起的。

当在系外行星凌日之后观测到一次轻微凌日(亮度变暗约 0.05%)时,才有令人信服的证据证明它是外星。此外,这一凌日现象正好发生在预期的地点,可以解释所观察到的凌日时间变化的大小。正如作者所指出的,这两件事的结合“表明外星是最好的解释”。

真的是卫星吗?

这些数据确实显示了另一颗天体与开普勒行星-1425b-共同运行的证据,问题是,这真的是一颗卫星吗?这个天体的半径约为母行星的三分之一,与太阳系中任何一颗巨大行星的卫星都不一样。

即使是土星最大的卫星土卫六,其半径也小于其母行星的5%,虽然地球和月球的大小比是4比1,但它们都是岩石体。地球-月球系统是由太阳系早期的巨大冲击形成的。另一方面,木星和土星的卫星是行星形成后遗留下来的碎片中聚集起来的。其他卫星,比如海王星最大的卫星Triton,可能是从柯伊伯带(Kuiper belt)捕获。因此,目前的理论无法解释海王星大小的卫星是如何在围绕木星大小的行星轨道上形成的。

David Kipping(该研究的作者之一,来自美国哥伦比亚大学)在过去十年里一直在猜测外行星的存在,以及如何检测到它。这一次他又领导着这个领域,所以我很高兴他的坚持得到了回报。与大多数“第一次”发现一样,这第一次外星探测还不是绝对决定性的,因为信号处于目前可测量范围的极限,但我希望未来的观察可以证实它的存在。

卫星在太阳系中肯定是非常丰富的,这四颗巨大的行星在它们之间承载着200多颗卫星。因此,目前已知的许多(甚至大多数)系外行星(近4,000颗)应该是外星港。令人兴奋的是,太阳系中巨大行星周围包括欧罗巴(Europa), 土卫二(Enceladus)和泰坦(Titan)在内的一些卫星,是我们目前在地球(或者也可能是火星)以外寻找生命的最佳选择。

在系外行星上可能找到生命,这令人充满期待。如果我们也能通过可靠的手段检测到系外星球,这种可能性就会大大增加。令人兴奋的是,关于系外行星发现的下一篇章已经开始。

原文链接:

https://theconversation.com/exomoons-astronomers-report-first-ever-discovery-104154

作者简介:Andrew Norton

译者:马乐昊

审校:马晓彤

本文来自:环球科学
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