互动科普

寻找宜居月球

银河系中有数千亿颗行星，但许多已知的系外行星上，都不太可能拥有生命。然而，它们的卫星却有可能是地外生命的家园。

撰文 李·比林斯（Lee Billings） 翻译 谢懿

制图 罗恩·米勒（Ron Miller）

搜寻系外卫星的前沿，深藏在美国哈佛－史密森尼天体物理学中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的地下室，一个到处都是计算机和电线的漆黑房间里。为了盖过冷却风扇的机械轰鸣声，英国天文学家戴维·基平（David Kipping）提高声调说，这些设备几乎全部的计算能力，目前都用来分析一颗行星——开普勒22b（Kepler-22b），它环绕一颗距离地球约600光年的类太阳恒星转动。美国航空航天局（NASA）的开普勒空间望远镜（Kepler space telescope）首先发现了这颗遥远的行星，于是，这颗行星就以望远镜的名字来命名。基平希望，通过更仔细地研究最初发现开普勒22b时所使用的数据，或许还能找到与这颗行星的卫星相关的微弱信号。他把这个计划称为“用开普勒搜寻系外卫星”（Exomoons with Kepler，缩写为HEK）。

基平的这个计划，是目前最先进的系外卫星搜寻项目。基平说，这需要强大的计算能力，因为即使是可以想象的最大的系外卫星，也只会在数据中留下难以察觉的微弱信号。也正因为如此，他只针对几个精心挑选的目标，来深入搜寻系外卫星的证据。如果快速搜寻大批目标，他或许会发现许多系外卫星，但是，“我不能确定，那样的结果我是否会相信，”他说，“我的目标是获得每个人都会赞同的探测结果，漂亮、清晰而且确凿无疑。”

他有理由这样小心行事。任何宣称发现系外卫星的结果，都会引起争议，这不仅是因为这项工作本身极为困难，而且还因为这一发现可能具有深远的意义。基平解释说，以开普勒22b为例，这颗行星位于宿主恒星的宜居带（habitable zone，液态水在这一区域可以存在），很大，可能是一颗不适合生命的气态星球，而不是类似地球的岩质行星。但是，如果开普勒22b拥有一颗大质量的卫星，那这颗卫星就有可能适宜生命生存，从而成为天文学家未来搜寻外星生命的可能目标。

“卫星可以是宜居的，”基平说，“如果真是这样，宇宙中存在生命的几率将比之前任何人想象的都要高出许多。”

大质量卫星

长期以来，许多天文学家（以及科幻作家）一直认为，其他行星系统应该是我们太阳系的翻版，在低温巨行星周围有着大量的冰质卫星，就像我们在木星和土星周围看到的那样。然而，随着上世纪90年代科学家首次发现系外行星，新的可能性出现了。研究人员发现，太阳系外的许多气态巨行星一开始形成于远离宿主恒星的漆黑外层轨道，之后则通过某种方式向内迁移，到达距离宿主恒星更近、温度更高的轨道上，有些甚至会位于宿主恒星的宜居带中。由此产生了一个疑问：环绕这些温暖巨行星的卫星，是否会拥有岩石成分、可发挥保护作用的大气，以及地球那样的海洋呢？

美国宾夕法尼亚州立大学的3名科学家达伦·威廉姆斯（Darren Williams），吉姆·卡斯廷（Jim Kasting）和理查德·韦德（Richard Wade），率先详细研究了系外卫星具有类地环境的可能性。他们研究了位于宜居带中的系外卫星必须要有多大，才能维持足够的大气，并让表面存在液态水，研究结果于1997年发表于《自然》杂志上。威廉姆斯说：“我们发现，比火星（质量约为地球的1/10）还小的卫星不可能束缚大气达几百万年之久。”低于这个阈值，卫星就没有足够的引力来维持有效的大气。在近邻恒星的辐射影响下，这样一颗微小卫星的大气会被蒸发掉。

问题是，形成类地行星那么大的卫星似乎并不容易。天文学家相信，大多数卫星的形成方式与行星大致相同——在一个由气体、冰以及尘埃组成的转动盘中，逐渐凝聚而成（见本文图表）。研究人员利用计算机来模拟卫星逐渐形成的过程，但大多数模拟研究都没有得到比木卫三（Ganymede，太阳系中最大的卫星）更大的卫星。根据1997年的那项研究，像木卫三这样的卫星，需要变成原来的4～5倍，才能维持永久的大气层。

幸运的是，大自然有其他方法来形成大质量卫星。例如，地球的卫星月球就非常大，因而不可能和地球一起从气体与尘埃盘中平静地形成。许多天文学家认为，我们的地月系统是由太阳系早期的一场灾难性碰撞造就的，冥王星（Pluto）和它最大的卫星冥卫一（Charon）也是因碰撞而产生的，虽然碰撞规模比形成地月系统的碰撞小得多。这些由行星及其卫星组成的二体系统还可以解释其他类型的卫星。在“双星互换”（binary-exchange reactions）过程中，一颗巨行星与这样一个二体系统发生交会，俘获其中的一个天体作为自己的卫星，并把另一个抛射到宇宙中。在太阳系中，这一交换过程至少发生过一次，海王星最大的卫星海卫一（Triton，有一条与海王星自转方向相反的奇怪轨道）就是这样形成的。天文学家认为，海卫一正是很久以前被海王星俘获的一个二体系统中的一员。

即使这些大型卫星所围绕的行星位于宿主恒星的宜居带之外，它们也可能会拥有液态水——进而拥有生命。宿主行星反射的光以及发出的热，再加上该行星的引力，可以为卫星提供额外的热量。就像月球引发了地球海洋的潮汐，一颗气态巨行星的引力拖拽，也可以让潮汐能（tidal energy）席卷它的一颗近距卫星，拉扯这颗卫星的内部，使之浸浴在摩擦热（frictional heat）之中。这个效应类似于用手来回弯曲金属回形针使之升温。加拿大麦克马斯特大学的勒内· 海勒 （Rene Heller）和美国华盛顿大学的罗里·巴恩斯（Rory Barnes）最近研究发现，如果一颗卫星过于靠近宿主气态巨行星，它可能会受到极强的潮汐加热，以至于蒸发掉自身的大气，或者被熔化。即使宿主行星在更远的轨道，远离宿主恒星的光和热，只要潮汐加热适量，它的卫星也能保持适宜的温度。

潮汐力也可能改变卫星的轨道，使它永远只有一个半球朝向宿主行星，就像地球的卫星月球一样。海勒说，想象一下这些被潮汐力锁定的卫星的夜空，那会是一幅多么离奇的景象。“在一颗被潮汐力锁定的卫星上，假如你恰好站在朝向宿主行星的那个半球，这颗行星在天空中看上去将会十分巨大，而且不会移动。在这颗卫星上的‘正午’时分（即宿主恒星在天空中爬升到最高点），宿主恒星会运动到宿主行星的后方，不会再有从宿主行星反射来的光。你会看到满天的星星，但头顶上却有一个黑色的圆盘。‘午夜’时分，宿主恒星在你脚下，被照亮的宿主行星会出现从亏到盈的变化，你会再次看到宿主行星反射的光。因此，在‘午夜’时分，你看到的天空会比‘正午’时分还要亮”。

搜寻策略

理论上，如果一颗卫星大到足以维持大气，那么通过分析开普勒空间望远镜监测到的数据，应该可以发现它的存在。开普勒空间望远镜于2009年发射升空，在2013年陀螺仪（gyroscope）失灵之前，一直观测着天空中的一小片区域，连续地监测着超过15万颗目标恒星的亮度。它通过探测凌星现象（transits，行星从宿主恒星前经过，因遮挡而造成恒星亮度降低）来搜寻行星。每一次凌星事件，都会在恒星的“光变曲线”（light curve，恒星亮度随时间变化的曲线）中表现为一个波谷。

迄今为止，开普勒空间望远镜发现的最小的行星是开普勒37b（Kepler-37b），这颗行星非常小，只比月球稍大一点。根据基平的说法，既然开普勒空间望远镜可以发现像月球一样小的行星，那它也应该能发现像地球一样大的卫星。

然而，即便基平正在仔细梳理开普勒空间望远镜得到的数据，来寻找这样的卫星存在的证据，但他既不是“开普勒”团队的成员，他的项目也不隶属于美国航空航天局。事实上，他正在做的事情，任何人都可以做，因为开普勒空间望远镜得到的数据是公开的。天文学家和天文爱好者已经通过研究这些规模庞大的数据，发现了一些新的行星。基平还把这种“人人参与”的方式延伸到资金募集上，他在一个众筹（crowdfunding）网站筹到了1.2万美元，用来购买更多的CPU，这些CPU如今已经成了迈克尔·多兹计算设施（Michael Dodds Computing Facility，迈克尔·多兹为该计算设施的建立提供了最多捐助）的一部分。

基平的搜索策略建立在引力相互作用（gravitational interactions）中一种违反直觉的效应之上：卫星绕着行星转，但行星也在绕着卫星转。更严格地讲，行星和它的卫星实际上会绕着公共质心转动，因此当卫星绕着行星转时，该行星也在前后来回晃动。

设想你正在观测一个遥远的行星－卫星系统（moon-planet system）。如果卫星转到了行星的右侧，那么绕同一质心转动的行星就会向左偏移一点。现在想象一下凌星的情况，比如这个行星－卫星系统从左至右经过恒星圆面。这颗行星所处的位置，会比没有卫星时更靠左。对于从左至右运动的行星而言，这一左偏可能会使得凌星开始的时间推迟几分钟。当该系统再次凌星时，卫星可能会位于轨道另一侧，从而使得行星的位置稍稍向右侧偏移，导致凌星的时刻提前几分钟。

一颗绕行星转动的卫星，除了会使行星凌星时刻发生这些变化之外，还可能改变凌星现象的持续时间。通过分析行星在多个轨道周期内的数据，如果发现凌星时间的特征像跳“华尔兹”一样往复变化（to-and-fro temporal waltz），就可以佐证系外卫星的存在。

除了这些时间效应之外，一颗足够大的卫星还会遮挡恒星的光线，给行星的凌星信号加上自己微小的贡献。不过，行星和卫星一起导致的恒星亮度下降，大多数时候与仅由行星凌星所产生的信号极为类似，除非凌星时卫星正好出现在行星正前方或正后方。这个行星－卫星凌星系统导致的恒星亮度下降，不会一成不变。因此，天文学家们可以通过这个变化，推断出存在隐藏的卫星。

然而，要发现这些微妙的效应非常困难。星光的微弱下降并不一定就是由凌星的系外卫星造成的，也可以用其他更普通的现象来解释。到目前为止，光变曲线的每一种变化模式都可以用恒星黑子（star spots）、恒星震动（stellar fluctuations）、仪器误差（instrumental errors）等原因来解释。

更糟糕的是，许多不同的行星－卫星系统都可以产生同一个凌星时间信号。在这些系统中，卫星可以拥有完全不同的大小、轨道周期和轨道倾角（inclination）。这一固有的不确定性，使得天文学家很难仅仅通过凌星时间信号，来确定系外卫星的任何特征。

然而，如果天文学家可以通过凌星时间信号和卫星对光变曲线的影响，成功确定一个行星－卫星系统的轨道构形（orbital configuration），他们就可以获得这个系统中卫星、行星及宿主恒星的质量。根据这些质量，以及由行星和卫星所遮挡星光而估算出的星球大小，天文学家就可以推断出每个天体的密度——通过这些线索，天文学家进而可以了解它们的成分、形成历史，以及这些行星和卫星是否有宜居的可能。对于任何一个给定的系统，通过仔细筛查一次次凌星事件的数据，甚至可以从星光的那些波动中提炼出更微弱的细节信息。

“光变曲线包含的信息量大得惊人，”在地下室机房之上几层楼的办公室中，基平说道，“如果一颗凌星的行星或卫星是扁球形，或者拥有光环，情况会怎样？如果一个天体的大气可以折射并使穿过其中的星光发生弯曲，又会怎样？诸如此类的各种效应都会在观测到的数据中留下痕迹。抬头仰望，夜空中繁星闪烁，我们只须简单测量这些恒星的亮度，就能得出更复杂的信息，这真是令人无比满足。”

为了找出绕着特定凌星行星转动的卫星，基平的HEK项目首先做了一个猜测。如果有一颗卫星绕着这颗行星转动，宿主恒星的光变曲线看上去会是什么样子？参与HEK项目的科学家设计出许多算法，根据各种假想的行星－卫星系统，生成多种不同的人造光变曲线。在这些虚拟的系统中，星体的质量、半径和轨道千差万别。接着，科学家仔细筛查开普勒空间望远镜监测到的数据，寻找与虚拟系统相匹配的结果，逐步锁定在统计学上比较合理的卫星信号。这个穷举式的试错过程（trial and error process），就是HEK项目必须拥有强大计算能力的原因，也是基平在开普勒空间望远镜发现的大量行星和行星候选体中，仔细挑选最佳研究目标的原因。这类目标大多是与海王星大小相似的低质量行星，它们的轨道都非常靠近宿主类太阳恒星，公转一周的时间约为半年。在这样的行星系统中，大型卫星的信号是最明显的。

HEK项目还计划搜寻围绕红矮星（red dwarf stars）公转的凌星行星。红矮星比类太阳恒星更小、更暗，但它们的数量多得多。红矮星更小，意味着一颗凌星行星可以遮挡更多星光；红矮星更暗，那么宜居带就更靠近恒星，在宜居带内的行星会快速地绕转，更频繁地发生可供天文学家研究的凌星事件。“对我们来说，红矮星创造了更有利的观测条件，”基平说，“在最好的情况下，我们可能会探测到一颗质量只有地球1/10或1/5的卫星。”

在最糟糕的情况下，HEK可能找不到任何系外卫星。不过，基平和同事至少可以确定，最多会有多少行星拥有较大的卫星。我们已经知道，这些系外行星所在的系统中，有些东西是不存在的。“如果真的存在许多大型卫星，比如一颗半径是地球两倍的卫星，围绕一颗木星大小的凌星行星转动，那你只需要用眼睛观察光变曲线，就能看到这颗卫星产生的效应，”美国佛罗里达大学的天文学家埃里克·福特（Eric Ford）说，“因此，如果这样一颗卫星出现在开普勒空间望远镜的视场之内，那现在应该已经有人发现它，或者在追踪它了。”经过进一步的分析，基平的团队排除了开普勒22b拥有一颗超过地球一半大小的卫星的可能性。

许多天文学家怀疑，开普勒空间望远镜目前观测到的数据能否用来确认系外卫星的存在，特别是只有凌星时间相关的数据时。美国华盛顿大学的埃里克·阿戈尔（Eric Agol）就是持怀疑态度的天文学家之一，“我的看法是，还是需要真正观测到卫星的凌星现象，才能确认系外卫星的存在，”阿戈尔说，“但是，这几乎就是开普勒空间望远镜观测能力的极限。当然，大自然总会给我们带来惊喜。”

尽管如此，阿戈尔还是承认，他和一些合作者正在用他们自己的方式，搜寻系外卫星。与HEK项目不同，他们使用计算能力相对较弱的设备，基于开普勒空间望远镜的数据，得到大量光变曲线，然后从这些曲线中寻找更明显的凌星效应。阿戈尔说，“我觉得，我们的搜索范围应该包括每一颗已发现的行星的周围，这是很合理的事情”。

新的起点

基平指出，卫星能以很多方式提高生命存在的几率。他举例说，如果没有月球，地球的气候和季节可能会极为不同，因为在天文时间尺度上，月球有助于稳定地球自转轴的倾角。更重要的是，在逐渐远离地球并抵达现在的轨道之前，早期地球受到的来自月球的巨大潮汐效应，可能对地球生命的起源和繁荣发挥了至关重要的作用。

基平说：“当我们发现一颗与地球大小相似的行星位于宿主恒星的宜居带时，我们首先要问的一个问题应该是，‘它有卫星吗？’”对这个问题的回答，将有助于确定这颗行星究竟是地球真正的“孪生兄弟”，还是只有一点模糊关联的“远房表亲”。“我想知道，地球有月球这样一颗卫星，到底是偶然现象，还是普遍情况，”基平补充道，“但仅凭一个样本，我们不可能真正回答这个问题。如果在太阳系之外发现一批卫星，那我们对这个问题就有更好的认识了。”

如果有性能远超“开普勒”的望远镜，那么系外卫星将会告诉我们更多信息，而不仅仅是一个标志——看，有颗行星在近距离围绕着恒星转动。基平说，无论是观测一颗与地球大小相似的凌星行星，还是一颗与地球大小相似的凌星卫星，都可以通过地面上或太空中的望远镜——只要它够大，来研究这个遥远天体的大气，寻找生命的踪迹，例如氧气。

基平还认为，可以利用某些系外卫星，来研究宿主行星的表面情况。天文学家已经可以在凌星现象发生时，通过仔细监测宿主恒星的亮度，来研究恒星的表面状态。“研究行星时，也会遇到同样的机会。从地球上看去，当卫星从行星前方经过时，机会就来了，但这时我们监测的是行星的表面亮度，”基平解释说，“所以，我们有可能通过某种非常巧妙的方式，来挖掘这些数据的潜在价值。根据卫星经过时行星光变曲线的变化，我们或许可以确定‘新地球’上陆地和水的分布情况。有时候，我觉得要获得一颗可能宜居的行星的信息，比如它的照片，这应该是最有可能达成目标的方式。而我们由此得到的结果，或许只是从一块非常大的蛋糕中切下的第一块，而且只是很小的一块。”

本文译者 谢懿，天文学博士，现就职于南京大学天文与空间科学学院，研究领域为相对论基本天文学。