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藏身黑暗之中,至今仍未被找到:它们才是地外生命的真正家园?

[2021-04-04 11:00:21] 编辑:美艳绝伦 点击量:21
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导读:地球生命的演化离不开月球,对于系外行星来说也很可能如此,系外卫星甚至比行星本身更可能诞生生命。但要找到这些隐藏在星光背后的天体却是困难重重。它们的信号可能隐藏在星光微弱的亮度变化,或是漫长闪烁周期的短暂波动中。我们将看到:借助 .....

地球生命的演化离不开月球,对于系外行星来说也很可能如此,系外卫星甚至比行星本身更可能诞生生命。但要找到这些隐藏在星光背后的天体却是困难重重。它们的信号可能隐藏在星光微弱的亮度变化,或是漫长闪烁周期的短暂波动中。

我们将看到:借助不断升级的望远镜和全球合作,人类正在逐步接近系外卫星。

撰文 |丽贝卡·博依尔

翻译 | 许峰玮

1655年,丹麦天文学家克里斯蒂安·惠更斯亲自搭建起了一台折射式望远镜,并将其对准土星。他认为这个行星周围环绕着一个固态环,打算观测这个环的倾角如何随时间变化。不过他却在观测过程中看到了一些意料之外的东西——一个巨大的卫星。土星成为了继地球和木星之后,第三个被发现具有卫星的行星。在太阳系中,土星那样的环的确很罕见,不过卫星则是司空见惯了。

直到20世纪末,人类所知的行星还仅是包括地球在内,沐浴着太阳光芒的8颗系内行星。不过,从上世纪90年代开始,人类对行星的认识有了变化,当时天文学家发现了第一颗太阳系外行星。而到2009年,当开普勒空间望远镜将它的镜头对准宇宙深处时,过去的认识更是被彻底颠覆了。我们现在知道宇宙遍布着行星,其数量远比恒星要多。我们尚未找到一颗看上去像是地球的行星,或证明某个系外行星拥有卫星,但是我们正在一步步接近这些目标。

21世纪初期,当天文学家通过遮挡星光找到一些系外行星时,他们就开始考虑系外卫星了,而从2018年开始的一些研究也发现了几个有希望的候选体。实际上,能够准确定位一颗太阳系外行星的卫星,将会是我们认识宇宙的又一块里程碑。通过这项工作,我们将会确认这些卫星在宇宙中到底是无处不在的,还是稀有罕见的;相对于它们的宿主行星普遍偏大还是偏小;它们是通常伴随着母体行星形成,还是在行星形成之后的一次灾难性事件中诞生;这些卫星是结伴形成,还是单独出现。

中国台湾“中央研究院”天文及天体物理研究所的博士后亚历克斯·泰切和同事发现,系外行星Kepler-1625b可能拥有一颗卫星。他说:“每次我们看到系外行星,我都会把它看成一面映射地球历史的镜子,在哪些方面我们是普通的,而在哪些方面我们又是独一无二的呢?就像我们开始观察到那些古怪的系外行星系统一样,我们可能会很惊讶于系外卫星的奇特。”

藏身黑暗之中,至今仍未被找到:它们才是地外生命的真正家园?

卫星红利

不管是在太阳系中,还是我们目前所能看到的范围内,地球仍旧是独特的。毕竟它是我们所知唯一孕育了生命的行星,也是唯一一个用活跃的内部活动塑造了表面的行星——板块构造使得生命得以传播并且演化。它还是唯一一个拥有足够厚的大气层来维持液态水存在的行星,它的季节规律性更替,能长期维持稳定,它同时也和太阳保持着刚好的距离,不会太冷也不会太热。而这些维持生命存在的前提,或多或少都和月球有关。

月球在地球历史上所扮演的角色可以追溯到约45亿年前,那时候一颗与目前火星大小相近的行星与诞生不久的地球发生了碰撞,这场灾难性的事件遗留下了一个炽热的椭球形地球和一个同样炽热的月球。从那时候开始,月球持续冷却,并且不断远离地球。随着时间推移,月球远离,地球因为引力作用开始变得更圆,地壳在月球潮汐力下弯曲。地壳的变形可能导致了早期板块的出现。同时,月球的远离也减慢了地球的自转,每经过一个世纪,就会让地球的一天变长大约两毫秒。

相对于地球来说,月球非常重,我们所处行星的质量仅是卫星的81倍。相较于太阳系其他的行星-卫星系统来说,这个比值很小。正是因为质量比值小,月球引力保证了地球的自转轴始终相对于公转轴保持23.5度的倾斜,这个稳定的结构保证地球长久不变的季节更替。除此之外,地球海洋的潮汐主要是月球引起的,这种现象塑造了海岸线,孕育了海洋里的诸多生物。月球的潮汐力很可能在生物演化中起到了至关重要的作用,驱使植物和四足动物离开海岸边的盐沼登上陆地。

藏身黑暗之中,至今仍未被找到:它们才是地外生命的真正家园?

要说地球这个单一样本的过去给我们提供了哪些启示,那就是系外行星如果没有卫星将会完全不同。没有卫星的系外行星可能只是毫无生机的石头,注定像火星一样随着时间流逝发生倾斜,时而极寒时而酷热,大气无法稳定存在,生命也注定无法长久。系外卫星如果存在,甚至其本身可能会比宿主行星更加适合生命存在。因此,想要寻找太阳系外的生命,需要关注那些更可能具有卫星的行星,甚至是卫星本身。

惠更斯不知道的是,他所发现的土卫六,那颗橘红色的星球上充斥着甲烷和乙烷的江河湖海,实在太像一颗行星了。虽然对于我们或者任何我们已知的生物来说,土卫六都不是宜居的星球,但是它有液态的环境,同时有足够厚的大气层,意味着它为混合生命所需的要素提供了机会,也就是为孕育生命提供了机会。反观其宿主行星土星,由于具有太强的引力和大团的氨气,永远没法成为孕育生命的摇篮。类似的情况对于木星同样适用,木星像是半个恒星,具有强大的辐射带以及对地球生命来说致命的气体层,但是它的卫星就不一定有这样的问题。

“根据对太阳系的了解,我们认为像木星这样的行星可以有相当大的卫星,足以拥有液态水,” 安大略省西方大学的研究生克里斯·福克斯说道,“如果一个木星位于太阳系的宜居带上,你可以看到一个像地球一样的卫星,上面还可能存在生命。基于这个想法,同时考虑到卫星的数量,我们推测或许卫星上的生命会比行星上的更常见。”

换句话说,系外卫星本身可能就是宜居的,同时还可能有助于让它们的宿主行星变得宜居。因此,寻找系外卫星将会让我们在理解卫星的同时,更进一步了解我们自己。

有趣的候选体

在开普勒空间望远镜开始观测之前,天文学家就猜测整个宇宙充满了像地球这样的生命家园,并且它们也有自己的卫星。现在在巴黎天文台工作的保拉·萨尔托雷蒂和琼·施奈德在1999年首次提出,可以利用凌星法搜寻系外卫星。

如果一颗恒星和它的行星排列的平面与视线方向平行——就好比你从太阳系平面的侧面观测,而不是从垂直于太阳系平面的方向观测一样——恒星会因为行星经过而被遮挡了部分的光线,从而亮度周期性降低。这种类似于日食的现象叫做凌星。当凌星现象以一个固定的周期重复,我们通常就可以确定,存在一个环绕恒星运行的天体导致其亮度变暗。开普勒望远镜采用这种方法寻找系外行星已经有十几年了。

萨尔托雷蒂和施奈德认为,距离其宿主行星较远的卫星,也可以利用类似的方法探测,只要在凌星的时候,卫星在其宿主行星的旁边。更确切地说,如果卫星距离宿主行星足够远, 恒星的变暗程度可以比仅有行星的情况暗得多,亮度甚至可以相差一倍。

他们还认为,纵使系外卫星距离它们的宿主行星很近,使得二次变暗不大可能出现,天文学家仍然有可能通过观察行星重复性的凌星模式随着时间的变化,进而推断卫星的存在。通常来说,凌星现象应该类似于节拍器一样准确地重复,但是有时它们会稍稍偏离,比科学家预想的提早或延迟一点。这种凌星时变效应往往是因其他绕宿主恒星旋转的行星引力拖拽而产生,但是也可以由附近巨大的卫星导致。

藏身黑暗之中,至今仍未被找到:它们才是地外生命的真正家园?

想要理解这一切是如何发生的,我们可以从我们自己的地月系统中得到不少启示。严格地说,月亮并不是围绕地球运动的,地球和月球是在绕着它们的质心旋转。不过,地月系统的质心始终都在地球上,因为地球相对于月球来说还是重得多。因此一个很自然的结果是,地球围绕太阳公转的时候,会轻微地偏离公转轨道摆动。这个摆动则是萨尔托雷蒂和施奈德企图寻找的。

2017年,泰切和哥伦比亚大学的天文学家戴维·基平共同筛选开普勒望远镜的数据,来寻找系外卫星干扰其宿主恒星星光的踪迹。他们分析了大约300个行星,希望能够找到一些卫星。最终,他们找到了一个候选者:Kelper-1625b。

他们申请了哈勃空间望远镜的观测时间,令人惊喜的是申请被批准了。接着他们花费了将近一年的时间来研究哈勃望远镜的数据,其中还包括学习如何运用这些数据的时间。基平和泰切最终完成了他们的分析,哈勃望远镜的观测结果表明,相比于孤立的行星-恒星模型,这颗行星的凌星时间提前,表明它的旁边可能存在一颗卫星。数据的分析结果显示,行星的凌星时间每五年就会变化20分钟。“我们知道的确存在什么东西在扰动这颗行星,”基平说,“并且我们认为它就是这颗行星的卫星。”

泰切和基平在2018年年初把他们的论文投送到了预印本网站,2018年10月,这篇文章最终发表在了《科学·进展》杂志上。他们声称有证据支持存在一个海王星大小的卫星环绕Kepler-1625b旋转,而该行星自身大小则是木星的许多倍。泰切和基平没有声称自己发现了太阳系外卫星。“我觉得人们可能对于我们报道这个发现的方式很失望,”泰切说,“人们认为我们试图通过这项发现博取声望,但还给自己留了后路,因为我们并没有完全申明这个发现。我理解人们失望所在——这颗卫星到底存在吗?但目前还有太多太多的未知因素。”

在泰切和基平发表自己的研究结果之后,其他天文学家也踊跃参与到这项研究中。德国马普太阳系研究所的天文学家雷内·海勒重复了泰切的部分工作,但认为没有足够的证据支持卫星的存在。而研究系外行星大气的劳拉·克雷德贝格,同样也没法证明这项工作中一个关键的部分。

……

泰切和基平公布研究结果之后的几个月里,天文界对系外卫星的关注不断增加。很快,就有不同的研究团队相继声明找到了系外卫星。这些可能的系外卫星都身处何方,研究人员是怎样找到它们的?

但另一方面,直到现在,系外卫星的确凿观测证据目前仍然难以获取。面对技术上的难题,天文学家想出了怎样的解决方案?

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