| 系外卫星在哪里?

Amateur Astronomer - - CONTENTS - 柯文采(Thijs Kouw enhoven)西交利物浦大学数学科学系

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) /译 程思淼

月亮以及系外卫星

历史上,地球的卫星——月亮在各种文化中都扮演了重要的角色。古人认为,月亮、太阳、五颗当时已知的行星和布满天空的恒星,都是绕着地球运转的。那时,月亮被看作是一颗特别的“行星” (如唐代《初学记》所言:“日月五星,谓之七曜”)。对此,尼古拉斯•哥白尼并不认同。他于1543年出版了日心说的理论,按照这个理论,绕地球运行的只有月亮,其他五星和地球则是绕太阳公转。因此在哥白尼的理论中,月亮成了一个非常特殊的天体。到了1610年,当伽里雷•伽利略第一次把望远镜指向天空,并且发现了木星的四颗卫星之 后,让一切都改变了。木星的这四颗卫星:伊奥、欧罗巴、伽尼美德和卡里斯托(木卫一到木卫四)现在称为“伽利略卫星”。伽利略最初把它们称为“行星”(planet),但天文学家逐渐开始用“月亮” (moon)称呼它们。提出行星运动三定律的约翰内斯•开普勒第一次使用了“卫星”(satellite)这一术语:它在拉丁文中的意思是“守卫”、“伴侍”,生动地表现

出这些天体总是围绕其母行星运行的特征。从此,所有绕行星运转的天体,都被称为卫星(satellite)。1957年,苏联成功发射第一颗人造卫星“伴侣号”(Спутник “Sputnik”,相当于俄语中的“satellite”)之后,这些天体有时也被称为“天然卫星”(natural satellite),以与人造卫星(artificial satellite)相区别。随着望远镜的发展,太阳系中越来越多的卫星逐渐得到发现。目前,国际天文学联合会(IAU)将太阳系中的178个天体认定为“卫 星”:其中只有一颗是绕地球运行的。另外,人们还知道超过200颗绕矮行星或小行星运行的“小行星卫星”(minor-planet moon)。直径小于1千米的天体,通常称为“超小卫星”(moonlet)。土星和其他气态巨行星的碎片环中数以万亿计的小颗粒尽管确实绕着行星运行,但不叫卫星。有些矮行星(如冥王星)和小行星(如243号小行星“艾达”)也有卫星。理论上说,甚至会有绕卫星运行的天体:它们称为“次级卫星”(secondary moon)。不过,目前还没有发现 这样的天体。也许因为轨道不太稳定,它们的数量非常稀少。显然,在太阳系中,卫星比行星要常见得多。于是我们会问:绕其他恒星运行的系外行星周围,是否也有卫星?近几十年来,人们已经在邻近的恒星周围发现了超过五千颗行星。其中的许多几乎肯定拥有卫星。但到目前为止,对于系外卫星,还没有令人信服的观测结果。(虽然已经有一些疑似的观测公布出来,见下文。)其实,观测不到系外卫星的理由很简单:它们实在太小、太暗了。

找到系外卫星的可能途径

要发现绕其他恒星运行的行星,是非常困难的。首先,那些恒星离我们很远,要分辨出它们旁边的行星就很难;其次,也是最重要的,恒星还比行星要亮上几十亿倍。为了找到系外行星,天文学家在最近30年里建造了包括大型望远镜在内的各种设备,创造出了非常巧妙的方法。现在,只要条件适当,再加上一点运气,天文学家已经能探测到其他恒星旁边、跟地球一样大的 行星——甚至可能还要小些。但是,卫星比行星小得多,因此也更难观测得到。这就是人们至今尚未发现任何系外卫星的原因。不过,近几年技术的发展十分迅猛,现在应该已经具备了发现系外卫星的技术条件。问题只在于时间。事实上,科学家已经证认出一些疑似的系外卫星候选者。不过,我得强调,它们只是卫星的候选者。这就是说,观测结果暗示那里有一颗卫星,但这 一信号也可能是由其他原因引起的。这些观测或许是搞错了,但将来哈勃太空望远镜也许能够给出对于系外卫星的第一个确定无疑的观测。人们提出了许多发现系外卫星的方法。所有这些方法都是可行的,但由于系外卫星实在太小太暗,找到它要花很多时间。这里的大多数方法与寻找系外行星的差不多,但另外也有一些是专门为系外卫星量身定做的:

直接成像法

直接拍摄恒星及其伴侣(伴星、行星、卫星等)的高分辨率图像,是理论上发现系外卫星最简单的办法。不过,恒星令人难以置信的光芒会完全盖过行星或卫星反射或发出的任何光线。事实上,就目前来看,通过直接成像法发现系外行星几乎是不可能的,更不要说卫星了。

多普勒分光法

首批系外行星就是通过它们的引力对母恒星的作用而发现的。恒星受到其行星的引力作用,会绕两者的质心(离恒星中心很近)做微小的周期运动。人们可以通过星光的多普勒效应测出这一运动:当恒星向我们接近时,它发出的光会稍微偏蓝,反之则偏红。尽管十分微小,现在的望远镜和分光仪已经能够通过这一途径发现系外行星(目前,专门为系外行星搜寻而设计的分光仪能够测出恒星低至1m/s的速度变化!)但是,使用这种方法发现系外卫星非常困难,因为系外卫星距其母行星都很近,因此实际上根本没法区分一颗系外行星究竟是拥有卫星,还是仅仅质量更大一些而已。

凌星法

如果一颗系外行星和它的卫星都会定期从母恒星的前面穿过,就有可能通过测量恒星的亮度变化而得知它们的存在。这是发现系外行星最成功的技术。目前,这种方法能够探测到的最小的行星,大小跟地球差不多。由于卫星从定义上讲一定比它的母行星要小,它所遮挡的恒星的光也会更少。比如,当地球经过太阳前面时,从远方看来,它挡住了阳光的0.0084%,用现在的望远镜刚好能够探测得到。而月球比地球小得多,只能挡住阳光的0.00063%。也许,十年之后的望远镜将能够用凌星法探测出系外行星系统中月亮大小的天体。

凌星延时效应法

与上述凌星法类似。但在这里,天文学家不是试图发现系外卫星的凌星,而是仔细地研究系外行星的凌星本身。正常情况下(没有卫星时),系外行星在一条近圆的轨道上绕其母恒星公转,它两次凌过恒星的间隔极为规则。而如果它有一颗卫星,这一间隔将不再拥有完美的周期性。这是由于行星与卫星之间存在着引力:两者都受到来自对方的吸引。因此,行星就会在公转轨道上发生颤动。有时,这会导致它比预计早些(几分钟)凌过母恒星,有时则会晚些。通过精确地测量行星凌星发生的时间,就有可能知道它是否拥有一颗卫星。更进一步,由于质量较大的卫星造成的扰动也更大,系外卫星的质量也可以测量出来。这一方法是目前看来最有前途的,值得我们期待,它将在不远的将来有所发现。

其他方法

为了探测系外卫星,科学家还提出了很多其他的方法,它们各有千秋。微引力透镜法是其中之一。它利用的是爱因斯坦“任何有质量的物体都会弯折从旁经过的光线”的预言。另一些科学家提出,系外行星与系外卫星之间的磁场相互作用——像木星和木卫一那样——会产生可探测的射电波。除此之外,还有很多聪明的想法,但其中的绝大多数,都要求极为精确的观测或者特别幸运的条件。

系外卫星真的在那儿吗?

目前,科学家已经在科学文献中公布了一些可能的系外卫星候选者。它们还只是候选者,因为观测结果只 是暗示,那里可能有一颗系外卫星。一切都还没有确定,因为对于观测到的东西,还有许多可能的解释。天文学家 正在仔细地研究这些系外行星系统,以确定究竟发生了什么。被认为可能拥有系外卫星的系统中,最著名的四颗是:

1SWASP J140747.93-394542.6

这颗年轻的类日恒星位于半人马座,表现出不同寻常的光变。科学家认为,这是它的行星拥有(类似土星的)环的结果。来自美国的天文学家发现了一些初步的证据,表明这些环之间存在裂缝。就像土星环缝一样,这些裂缝可能是由系外卫星的活动造成的。对此主要的批评是:对于观测到的恒星光变,还有很多其他可能的解释。

WASP-12

这是一颗位于御夫座、比太阳质量稍大的恒星。它有两颗距离遥远的红矮星伴星,同时还有一颗短周期的、木星质量的行星WASP-12b。来自俄罗斯的天文学家仔细地观测了它的行星的光变,并且认为,这些光变是由其卫星反射的光引起的。对此主要的批评是:系外行星WASP12b离它的母恒星如此之近,它的卫星(如果有的话)几乎不可能拥有一条稳定的轨道。

MOA-2011-BLG-262

这是一颗自由漂浮行星(free-floating planet),即从恒星周围逃逸出去、目前在太空中游荡的行星。不过,微引力透镜观测告诉我们,它并非孑然一身:它可能拥有一颗卫星!对此主要的批评是:微引力透镜实验无法重复进行,也无法被其他观测所证实。(因为天体只会在特定的背景星前面通过一次。)另外,研究人员据此得出的两个天体的质量也极不确定。

Kepler-1625

这颗恒星位于天鹅座,与太阳非常类似,因此得到了很多关注。它有一颗类木行星,每公转一周从母恒星圆面前面经过一次。凌星延时的变化显示,它可能有一颗卫星。这是一颗特别有趣的系外卫星候选者,因为它位于行星宜居带内。因此,如果条件合适,它的表面是会有液态水的。对此主要的批评是:还没有足够的观测可以确定这颗系外卫星确实在那儿。 这里的每一颗系外卫星候选者,都有其独特的魅力。但是,它们是否真的存在仍是未知数。或许接下来几年的后续观测将揭晓答案。目前,对于这些发现,既有批评,也有敬意。有敬意,是因为每支团队都利用今天科学与技术的极限做出了开创性的研究。有批评,是因为根据科学方法的原则,每一个发现都要在得到全世界其他科学家独立的验证之后,才被认为是有效的(而这些发现目前还都没有)。有人提出批评,并不意味着不喜欢某一发现,而是意味着另一个科学家提出了另一种可能的解释,而将来的观测将判定哪一方是正确的。科学批评不是坏事。相反,它是好事:它是科学研究的重要组成部分,因为它每天都在引导着科学前进。

系外卫星上会有生命吗?

关于宇宙中的宜居世界,多数研究者关注的是行星。但是,卫星的表面也很可能拥有大气层和液态水。例如我们的月亮,它到太阳的距离刚刚好,因此如果它有大气,生命就可能在其上出现。而且,几乎可以确定地说,宇宙中的卫星比行星要多很多。因此,卫星作为有生命世界的候选者,也是非常值得研究的。当天文学家谈论一颗行星的“宜居性”时,他们说的是这颗行星是否适合生命生存(更确切地说,是否适合地球上这种类型的生命生存)。卫星宜居性的标准与行星十分相似:

1.

多数天文生物学家同意,即使对地外生命而言,液态水也是必需的。因此,一颗行星(或卫星)到其母恒星的距离应当合适,以使它的表面不太冷也不太热——也就是位于“宜居带”内。

2.

一颗行星或卫星应当拥有稳定的大气层。空气中的分子为各种生命提供了养分(如氧气)。另外,天体表面的液态水也只有在大气层之下才能得以保全(这也是月亮表面没有液态水的主要原因)。最后,大气必须是无毒的,产生的温室效应也不能太过分。稳定的大气层只有在天体足够大的时候才会出现:强大的引力能够阻止空气分子逃逸到太空中去。我们的月亮质量就是太小,最后丢失了它的大气;同样,较小的行星火星也已经丧失了大气层中的大部分分子。

3.

行星或卫星应当有一条稳定的轨道,以保证生命能在几百万乃至数十亿年的时间里演化、发展。与其他行星的碰撞也要避免,小行星的撞击不能太多。 除此之外还有很多要求,但这三条是最重要的。要成为宜居星球,我们的月亮太小了。木星的一些卫星足够大,但它们位于太阳系中较为寒冷的地带。不过,想象一个类似木星或土星的行星系统,并且位于地球的位置:在这种情况下,它的某些卫星就可能拥有生命。考虑到在邻近恒星周围发现的类木行星数量巨大,也许我们应该开始寻找宜居的系外卫星,而不是系外行星!

G O E S -16拍摄到的地球与其卫星——月亮。这张图片清晰地显示了地球上活跃的大气现象,与月亮上荒凉且缺乏大气的样貌形成了鲜明的对比。图片来源:A P O D

艺术家绘制的绕一颗气态巨行星运行的系外卫星想象图,其母恒星为一个双星系统。图片来源:N A S A

卡西尼号土星探测器近距离拍摄到的样貌奇异的土卫十八。图片来源:A P O D

一颗宜居系外卫星上的世界是怎样的?同地球一样,宜居卫星上的居民也会在天空中看到一个“太阳”。但他们还会看到一颗巨大的行星,而不是月亮。对系外卫星上的居民来说,日食是家常便饭。图片来源:D an D urda

天体M O A -2011-B LG -262的位置。这是一颗疑似拥有卫星的自由漂浮行星。它的卫星是通过微引力透镜法探测到的,这一方法基于爱因斯坦对于光线弯折的理论。在这个案例中,要确定两个天体的质量非常困难。将来的观测应该能帮助我们判断,它究竟是一颗拥有卫星的自由漂浮行星,还是一颗拥有行星的褐矮星。图片来源:D . P . B e n n e tt e t a l.

艺术家绘出的M O A -2011-B LG -262系统两种可能的想象图。左边是自由漂浮行星与卫星的情景,右边是褐矮星与行星的情景。图片来源:N A S A

下合时间(小时)

图中是在Kepler-1625系统中发现卫星候选者的那次观测。横轴表示时间(单位:小时),纵轴表示我们从K epler-1625接收到的光线量。一颗已知的大质量行星绕该恒星运行,周期为287天。该行星系统的空间指向刚好使得我们在每个周期中看到行星从恒星前面穿过一次,即,恒星的亮度每287天会稍微有所下降。各次凌星的时间和光变曲线稍有不同,而这可能是由系外卫星引起的。上图显示了三次凌星的情况。虽然确实能看出三次的差异,但需要注意的是,由于种种外部原因,变化总是存在的。研究者的结论是:虽然没有决定性的证据表明那里有一颗卫星,但是无疑值得更为仔细地对这一系统进行研究。他们已经得到了哈勃太空望远镜的观测结果,目前正在分析当中。也许这将首次确定无疑地发现系外卫星。图片来源:Teachey etal.

土星的卫星土卫六(泰坦),是太阳系中一个并不宜居的寒冷世界。我们已经知道,其他一些恒星在它们的宜居带(即地球所处的这一地带)里有着与土星相似的行星。在那些行星系统中,像土卫六这样的卫星将很温暖,它的表面可能会有液态水:甚至可能充满生命!图片来源: NASA

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