互动科普

环绕双星转动的行星上，环境严苛，季节快速变化，如果存在生命乃至文明的话，那会是什么样呢？

撰文：威廉·F·韦尔什（William F. Welsh） 劳伦斯·R·多伊尔（Laurance R. Doyle）

翻译：谢懿

威廉·博鲁茨基（William Borucki）和同事经过20多年的努力，使得一个搜寻行星的探测器最终于2009年3月发射升空，这就是美国航空航天局（NASA）的“开普勒任务”（Kepler Mission），已被证明是一个极其成功的计划。通过凌星方法（当行星从恒星前方经过时，会阻挡恒星的部分光线，导致恒星亮度下降，利用这一现象，即可发现某些行星），开普勒任务迅速发现了成百上千个行星候选目标。

但经过两年的搜寻，研究人员仍然没有发现环双星行星。证据的缺失开始让我们感到沮丧。2011年春，在开普勒任务每周例行的一次电话会议上，我们“黑色幽默”了一把：“我们也许应该写一篇文章，说明一下为什么不存在环双星行星。”紧随其后的则是沉默。

我们的担忧看来是多余的。在这之后不到6个月的时间里，我们便召开了一场新闻发布会，宣布发现了第一颗环双星凌星行星。这颗行星被命名为开普勒16b。几个月后，开普勒食双星工作组（Kepler Eclipsing Binary Working Group；食双星是一类特殊的双星系统，两颗恒星相互绕转的轨道几乎在我们的视线方向上，因此我们可以观察到恒星亮度周期性的变化）又发现了两颗环双星行星，开普勒34b和开普勒35b。这些结果表明，环双星行星虽然很奇特，但并不罕见。行星系统的一个新类型就此建立。目前，通过开普勒任务发现的环双星行星已达7颗，这个数字在短时间内可能还会翻倍。事实上，计算表明，在银河系中可能就存在数千万颗环双星行星。

搜寻策略

对环双星行星的搜寻始于20世纪80年代，当时天文学家甚至连太阳系外第一颗“外星行星”（exoplanet）存在的证据都还没有发现。虽然在双星系统中，凌星现象更复杂，但一个简单的推测却让天文学家觉得，发现这样的系统是很有希望的：如果一颗行星绕着一个食双星系统转动，那么我们可以期待，这颗行星绕双星运动的轨道，应该会和两颗恒星相互绕转的轨道处于同一平面上。换句话说，如果我们在地球上可以观察到两颗恒星相互掩食，那么这颗行星就很有可能从其中一颗或者两颗恒星的前方掠过（即所谓的凌星现象）。这里假设了行星和恒星的轨道是共面的，而这是一个合理的、可以检验的猜想。

在许多方面，食双星都是建立恒星天体物理学（stellar astrophysics）的基础。在我们的视线方向上，它们有着特殊的朝向，在两颗恒星每一圈的相互绕转过程中，它们都会分别从彼此前方经过，进而遮挡住对方的部分光线。通过对这样的掩食过程中恒星光线变暗的程度建立精确模型，我们就可以了解这两颗恒星的大小和形状，以及它们轨道的几何特性。综合其他测量结果，我们还可以确定它们的半径和质量。因此，食双星为测定恒星的质量和半径提供了一个基本的“标尺”，这反过来可以用于估计非食双星或单颗恒星的性质。

如果一个双星系统中的两颗恒星相距很远，例如相互绕转周期长达几百年，那它们将很难影响彼此，它们的行为几乎就像孤立的单颗恒星。行星可以绕其中一颗恒星公转，一般不会受到另一颗恒星太多的影响。这样的行星被称为“环恒星行星”（circumstellar planets），或S型行星。过去10年间，人们已经发现了几十颗这样的行星。

当两颗恒星间距非常近，绕转周期只有几周甚至几天时，情况就会变得更有趣。对于一颗位于这样的双星系统中的行星而言，为了维持一条稳定的轨道，它必须同时绕两颗恒星转动，而不是其中一颗。数值计算表明，行星轨道与这两颗恒星之间的距离，必须大于一个最小的临界距离（critical distance）；靠得太近，转动的双星系统会使行星轨道失稳，要么将其吞噬，要么把它抛射出去。这个最小的稳定距离大约是两颗恒星间距的2～3倍。这类行星被称为“环双星行星”，或P型行星。虽然环绕单颗恒星或大间距双星中某颗恒星的行星很常见，但我们想知道，宇宙中是否存在环双星的行星系统，其中的行星同时绕两颗恒星转动。

在一颗恒星加一颗行星的简单系统中，凌星会以规则的周期出现，这对于观测来说非常有利。但是，增加一颗恒星后，这个三体系统会开始呈现出各种复杂的效应。这些复杂性源自两颗恒星的高速运动——而在单颗恒星的系统中，可以认为恒星是不动的。事实上，由于两颗恒星的间距小于它们到行星的距离，根据著名的开普勒行星运动定律，它们相互绕转的速度必定比行星绕它们转动的速度更快。因此，行星会从一个正在快速运动的恒星的前方经过，这样的凌星现象有时会提前，有时会推迟（详见本文中图表）。

如果这一系统中所有星体的质量和轨道都是已知的，那确实可以精确预测凌星时刻，但凌星将不再具有周期性。此外，凌星时长也会随着行星和被凌恒星的相对运动而变化——如果它们朝相同的方向运动，凌星时长就会延长。但是，当恒星处于其轨道另一侧时，它朝着相反的方向运动，凌星时长就会缩短。这些变化使得探测环双星行星变得困难，但它们同时也提供了丰厚的回报：一旦能够确定双星相互绕转的轨道，凌星时刻和时长的变化模式就可以用来确认一个环双星天体是否存在。其他任何天文现象都不会呈现出这样的特征，这是环双星天体独一无二的，因此可以作为确凿证据。

首个发现

2013年5月，开普勒空间望远镜出现了技术问题，在此之前，它一直凝视着同一片天区，寻找因行星从其宿主恒星前方经过而造成的特征性亮度降低。在搜寻行星的过程中，开普勒空间望远镜还发现了2 000多个新的食双星系统，以及一些奇异的系统，例如第一个食三星系统（eclipsing triple-star systems）。

2011年，本文作者多伊尔与美国加利福尼亚州山景城搜寻地外文明研究所（SETI Institute）的罗伯特·斯劳森（Robert Slawson）一起，注意到在双星KIC 12644769中存在额外的掩食事件。这个双星系统中的两颗恒星每41天就会发生相互掩食，但还有3次额外的无法解释的掩食事件。前两次间隔230天，而第三次则发生在221天之后——比预期提前了9天。这正是一颗环双星行星所能产生的信号类型。

因此，这些凌星事件证明，在双星KIC 12644769中，存在另一个绕双星转动的天体。不过，这也可能是一颗小而暗弱的恒星遮挡了较大的恒星所致——如开普勒任务所发现的，这样的食三星系统并不是非常罕见。轻微的亮度降低表明，这个天体的半径不大，但像褐矮星（brown dwarf stars）那样的恒星状天体也非常小，因此我们无法确定这个天体是不是一颗行星。我们必须测定它的质量。

在一个三体系统中，双星之外的那个“看不见的同伴”主要有两种存在方式。想象一下两颗恒星相互掩食，此外还有一颗较大的行星，在较远的地方绕这两颗恒星转动。双星相互绕转，但与此同时，这两颗恒星的质心也在绕这个三体系统的质心转动（见本文中图表）。结果是，有时双星会处于更靠近地球的位置上；而其他时候，它们则会距离地球稍远一些。当双星远离地球时，它们发出的光需要经过更长的时间才能抵达我们，掩食发生的时刻也会稍稍推迟。当双星更靠近我们时，掩食发生的时刻则会提前。第三个天体的质量越大，这个变化的幅度就会越大。因此，这一周期性的光行时效应（light-travel time effect）可以让我们推断出不可见天体的存在，并估计它的质量。

另外，第三个天体距离双星越远，这个效应就越强，因为距离的效果类似于杠杆。不过，距离越远，这一效应的周期也会越长。对于我们上文提到的环双星行星候选者而言，在为期230天的掩食计时中，不存在可探测的周期性变化，这意味着这个不可见的天体质量很小。但究竟有多小呢？

第三个天体也可以通过直接的引力相互作用影响双星，这称为“动力学效应”（dynamical effect）。对于相距较近的天体，这一作用会超过光行时效应。这个不可见的天体会轻微地改变双星的绕转轨道，通过分析掩食时刻的变化就可以揭示这些改变。由于双星中质量较小的恒星会更靠近第三个天体，它的轨道也会受到更强的扰动。与光行时效应不同，动力学效应会以更复杂的方式改变掩食发生的时刻。

与我们合作的丹尼尔·C·法布里基（Daniel C. Fabrycky）是开普勒任务科学团队的一员，目前在美国芝加哥大学任职，他注意到，一个恒星级质量的天体会显著地影响掩食发生的时刻，而一颗行星的影响则微小得多——但仍可能被探测到。对于我们研究的这一系统而言，动力学效应应该比光行时效应强得多。我们搜寻并最终找到了掩食时刻的变化，结果显示，这两颗恒星受到的引力作用，并非来自它们附近的具有恒星级质量的伴星。

当美国哈佛—史密松天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的乔舒亚·A·卡特（Joshua A. Carter）为该系统建立了一个精细的计算机模型后，这项研究迎来了它的大结局：结果表明，所有数据表现出的特征，都和一颗土星质量大小的行星完美相符。观测结果和计算机模型的绝佳吻合，证明了这颗行星的存在，并精确确定了这个系统的半径、质量和轨道特征等数值。

这颗行星被命名为开普勒16b，是人们发现的第一颗环双星凌星行星。来自凌星现象以及清晰的动力学效应两方面的证据，使得这一发现毋庸置疑。由于从这颗行星上看去，双星中的两颗恒星都具有太阳大小的圆面，因此开普勒16b很快获得了“塔图因”（Tatooine，科幻影片《星球大战》中虚构的行星，具有标志性的双日落景象）的绰号。科幻变成了科学事实。

一类新行星

乍一看，开普勒16b似乎是一颗非常奇怪的行星。它的轨道非常靠近宿主双星，仅比稳定轨道所需的最小临界距离大9%。由于它是当时发现的唯一一颗环双星凌星行星，我们曾经问自己：开普勒16b只是一个巧合吗？

幸运的是，很快就有了答案。我们和美国圣迭戈州立大学的杰尔姆·A·欧罗斯（Jerome A. Orosz）一起，一直在搜寻不会凌星的环双星行星。它们应该比凌星行星更普遍，因为这类行星的轨道构形不必满足凌星所需的特定要求。

如此前提到的，通过分析掩食时刻的微小变化，就可以找出这些行星。我们对这条研究线索追踪了好几个月，发现了一些候选系统。此后，在2012年8月一个星期二的下午，本文作者韦尔什发现，这些双星系统中有一个具有凌星现象。在几个小时之内，法布里基就建立了一个计算机模型，以再现这些凌星时刻和凌星时长的变化，从而确认了凌星的天体是一颗行星。我们由此发现了开普勒34b。我们兴奋地继续工作。第二天，欧罗斯在另一个食双星系统中发现了凌星现象，从而又发现了一颗行星——开普勒35b。

在接下来的几个月，欧罗斯发现了开普勒38b，从而证明了存在更小的、质量与海王星相仿的环双星行星。之后，欧罗斯又发现了开普勒47行星系统，其中至少拥有两颗行星，这表明双星也可以拥有多颗行星。

最新发现的一颗环双星行星是开普勒46b（又称PH1），由美国约翰斯·霍普金斯大学的研究生韦塞林·科斯托夫（Veselin Kostov）和参与“行星猎人”计划（Planet Hunter project）的天文爱好者分别发现。开普勒46b是一个四星系统中的行星，这进一步拓宽了行星形成地的多样性。

迄今为止，人们已经发现了7颗环双星行星，这告诉我们，这样的行星并不是非常罕见。相反，这意味着我们已经发现了一类全新的行星系统。

对于已经发现的每一个凌星行星系统而言，它们的轨道几何形状告诉我们，每10颗行星中就有大约5颗是我们无法看到的，因为从我们的视角看去，它们不会从双星中任何一颗恒星前方经过。考虑到这7颗行星是在搜寻了大约1 000个食双星系统之后所发现的，我们可以保守地估计，银河系中应该有数千万个这样的环双星行星系统。

到目前为止，开普勒任务发现的全部环双星凌星行星都是气态巨行星（gas-giant planets），它们没有岩质壳层可以让宇航员站在其表面之上，欣赏像“塔图因”上那样的双日落景象。尽管类似于地球大小的环双星行星非常难以探测，但搜寻较小岩质行星的工作仍在继续。

虽然已发现的环双星行星数量很少，但我们从中发现了许多有趣的问题。例如，在开普勒任务发现的所有食双星中，有一半的相互绕转周期小于2.7天，因此我们预计，拥有行星的双星中，有一半的双星相互绕转周期也小于2.7天。但实际情况并非如此，拥有行星的双星相互绕转周期最短的是7.4天。为什么？我们猜测，这可能与最初使得双星如此靠近的机制有关。

此外，环双星行星往往会在非常靠近宿主双星的轨道上运动。如果靠得更近一些，这些行星的轨道就会变得不稳定。那么，是什么原因使得它们处于如此危险的境地？找到环双星行星的轨道如此接近不稳定半径的原因，能帮助我们完善有关行星起源，以及它们的轨道如何随时间演化的理论。尽管我们目前还不清楚，为什么这些行星看上去似乎更青睐如此危险的轨道，但我们也能推测出一些更深层的东西：这些行星处于动荡环境的边缘，说明行星的形成过程是剧烈而稳健的。

三体的宜居带

开普勒计划发现的环双星行星，许多都位于临界稳定半径附近，这一特点带来了一个有趣的结果。对于相应系统中的恒星而言，临界半径通常都靠近其宜居带（habitable zone）——即某颗恒星周围的特定区域（这里是指双星系统中两颗恒星周围的特定区域），来自恒星的能量使得这一区域中的行星的温度可以维持液态水的存在。过于靠近恒星，行星上的水会变成气体；而距离太远，水又会结冰。而根据我们目前所知，水是生命存在的必要条件。

对于单颗恒星而言，宜居带是该恒星周围的一个球形壳层区域。在一个双星系统中，每一颗恒星都有自己的宜居带。如果这两颗恒星间距非常近，它们的宜居带就会合并成一个扭曲的椭球形，开普勒任务发现的那些环双星行星所面临的情况正是如此。当两颗恒星相互绕转时，这个组合而成的宜居带也会随之一起转动。由于恒星相互绕转的速度比行星绕恒星转动的速度更快，因此宜居带转动的速度会比行星公转的速度更快。

与在一条近圆轨道上绕太阳转动的地球不同，环双星行星与两颗宿主恒星之间的距离在一个公转周期里可能会发生剧烈变化。因此，随着恒星间的相互绕转，这颗行星上的季节在短短几周内就可能发生急剧变迁。天气变化的幅度会很大，而且只遵循大致的规律，欧罗斯说，“这就像坐过山车一样”。

在已发现的7颗环双星行星中，有2颗位于所在双星系统的宜居带中，这个比例高得出奇。虽然位于宜居带中并不意味着那里的环境一定适宜生命存在——例如，地球的卫星月球也处于太阳的宜居带中，但那里却是不毛之地，因为它质量太小无法维持一个大气层的存在，但位于宜居带中的环双星行星的比例如此之高，确实值得我们停下脚步认真思量。这些环双星行星环境严苛，季节快速变化，如果存在生命乃至文明的话，那会是什么样呢？

本文译者：谢懿博士目前任教于南京大学天文与空间科学学院，曾在美国密苏里大学哥伦比亚分校物理与天文学系做访问学者。他的研究主要涉及相对论天体测量与天体力学、相对论性引力实验模型、深空探测中的高精度测量理论与应用、规范不变宇宙学摄动及引力波效应等。