地球生命的演化離不開月球，對於系外行星來說也很可能如此，系外衛星甚至比行星本身更可能誕生生命。
但要找到這些隱藏在星光背後的天體卻是困難重重。它們的信號可能隱藏在星光微弱的亮度變化，或是漫長閃爍周期的短暫波動中。
在這篇節選自《環球科學》4月新刊的文章中，我們將看到：藉助不斷升級的望遠鏡和全球合作，人類正在逐步接近系外衛星。
撰文 | 麗貝卡·博依爾（Rebecca Boyle）
翻譯 | 許峰瑋
1655年，丹麥天文學家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）親自搭建起了一台折射式望遠鏡，並將其對準土星。他認為這個行星周圍環繞著一個固態環，打算觀測這個環的傾角如何隨時間變化。不過他卻在觀測過程中看到了一些意料之外的東西——一個巨大的衛星（現在我們稱之為土衛六或泰坦星）。土星成為了繼地球和木星之後，第三個被發現具有衛星的行星。在太陽系中，土星那樣的環的確很罕見，不過衛星則是司空見慣了。
直到20世紀末，人類所知的行星還僅是包括地球在內，沐浴著太陽光芒的8顆系內行星。不過，從上世紀90年代開始，人類對行星的認識有了變化，當時天文學家發現了第一顆太陽系外行星。而到2009年，當開普勒空間望遠鏡將它的鏡頭對準宇宙深處時，過去的認識更是被徹底顛覆了。我們現在知道宇宙遍布著行星，其數量遠比恆星要多。我們尚未找到一顆看上去像是地球的行星，或證明某個系外行星擁有衛星，但是我們正在一步步接近這些目標。
21世紀初期，當天文學家通過遮擋星光找到一些系外行星時，他們就開始考慮系外衛星了，而從2018年開始的一些研究也發現了幾個有希望的候選體。實際上，能夠準確定位一顆太陽系外行星的衛星，將會是我們認識宇宙的又一塊里程碑。通過這項工作，我們將會確認這些衛星在宇宙中到底是無處不在的，還是稀有罕見的；相對於它們的宿主行星普遍偏大還是偏小；它們是通常伴隨著母體行星形成，還是在行星形成之後的一次災難性事件中誕生；這些衛星是結伴形成，還是單獨出現。
中國台灣「中央研究院」天文及天體物理研究所的博士後亞歷克斯·泰切（Alex Teachey）和同事發現，系外行星Kepler-1625b可能擁有一顆衛星。他說：「每次我們看到系外行星，我都會把它看成一面映射地球歷史的鏡子，在哪些方面我們是普通的，而在哪些方面我們又是獨一無二的呢？就像我們開始觀察到那些古怪的系外行星系統一樣，我們可能會很驚訝於系外衛星的奇特。」
插圖：戴維·帕倫博（David Palumbo）
衛星紅利
不管是在太陽系中，還是我們目前所能看到的範圍內，地球仍舊是獨特的。畢竟它是我們所知唯一孕育了生命的行星，也是唯一一個用活躍的內部活動塑造了表面的行星——板塊構造使得生命得以傳播並且演化。它還是唯一一個擁有足夠厚的大氣層來維持液態水存在的行星，它的季節規律性更替，能長期維持穩定，它同時也和太陽保持著剛好的距離，不會太冷也不會太熱。而這些維持生命存在的前提，或多或少都和月球有關。
月球在地球歷史上所扮演的角色可以追溯到約45億年前，那時候一顆與目前火星大小相近的行星與誕生不久的地球發生了碰撞，這場災難性的事件遺留下了一個熾熱的橢球形地球和一個同樣熾熱的月球。從那時候開始，月球持續冷卻，並且不斷遠離地球。隨著時間推移，月球遠離，地球因為引力作用開始變得更圓，地殼在月球潮汐力下彎曲。地殼的變形可能導致了早期板塊的出現。同時，月球的遠離也減慢了地球的自轉，每經過一個世紀，就會讓地球的一天變長大約兩毫秒。
相對於地球來說，月球非常重，我們所處行星的質量僅是衛星的81倍。相較於太陽系其他的行星-衛星系統來說，這個比值很小。正是因為質量比值小，月球引力保證了地球的自轉軸始終相對於公轉軸保持23.5度的傾斜，這個穩定的結構保證地球長久不變的季節更替。除此之外，地球海洋的潮汐主要是月球引起的，這種現象塑造了海岸線，孕育了海洋里的諸多生物。月球的潮汐力很可能在生物演化中起到了至關重要的作用，驅使植物和四足動物離開海岸邊的鹽沼登上陸地。
地球的衛星——月球——塑造了我們地球的歷史，並且幫助地球成為生命的宜居地（圖為從國際空間站看到的月球）。
要說地球這個單一樣本的過去給我們提供了哪些啟示，那就是系外行星如果沒有衛星將會完全不同。沒有衛星的系外行星可能只是毫無生機的石頭，註定像火星一樣隨著時間流逝發生傾斜，時而極寒時而酷熱，大氣無法穩定存在，生命也註定無法長久。系外衛星如果存在，甚至其本身可能會比宿主行星更加適合生命存在。因此，想要尋找太陽系外的生命，需要關注那些更可能具有衛星的行星，甚至是衛星本身。
惠更斯不知道的是，他所發現的土衛六，那顆橘紅色的星球上充斥著甲烷和乙烷的江河湖海，實在太像一顆行星了。雖然對於我們或者任何我們已知的生物來說，土衛六都不是宜居的星球，但是它有液態的環境，同時有足夠厚的大氣層，意味著它為混合生命所需的要素提供了機會，也就是為孕育生命提供了機會。反觀其宿主行星土星，由於具有太強的引力和大團的氨氣，永遠沒法成為孕育生命的搖籃。類似的情況對於木星同樣適用，木星像是半個恆星，具有強大的輻射帶以及對地球生命來說致命的氣體層，但是它的衛星就不一定有這樣的問題。
「根據對太陽系的了解，我們認為像木星這樣的行星可以有相當大的衛星，足以擁有液態水，」 安大略省西方大學的研究生克里斯·福克斯（Chris Fox）說道，「如果一個木星位於太陽系的宜居帶上，你可以看到一個像地球一樣的衛星，上面還可能存在生命。基於這個想法，同時考慮到衛星的數量，我們推測或許衛星上的生命會比行星上的更常見。」
換句話說，系外衛星本身可能就是宜居的，同時還可能有助於讓它們的宿主行星變得宜居。因此，尋找系外衛星將會讓我們在理解衛星的同時，更進一步了解我們自己。
有趣的候選體
在開普勒空間望遠鏡開始觀測之前，天文學家就猜測整個宇宙充滿了像地球這樣的生命家園，並且它們也有自己的衛星。現在在巴黎天文台工作的保拉·薩爾托雷蒂（Paola Sartoretti）和瓊·施奈德（Jean Schneider）在1999年首次提出，可以利用凌星法搜尋系外衛星。
如果一顆恆星和它的行星排列的平面與視線方向平行——就好比你從太陽系平面的側面觀測，而不是從垂直於太陽系平面的方向觀測一樣——恆星會因為行星經過而被遮擋了部分的光線，從而亮度周期性降低。這種類似於日食的現象叫做凌星。當凌星現象以一個固定的周期重複，我們通常就可以確定，存在一個環繞恆星運行的天體導致其亮度變暗。開普勒望遠鏡採用這種方法尋找系外行星已經有十幾年了。
薩爾托雷蒂和施奈德認為，距離其宿主行星較遠的衛星，也可以利用類似的方法探測，只要在凌星的時候，衛星在其宿主行星的旁邊。更確切地說，如果衛星距離宿主行星足夠遠， 恆星的變暗程度可以比僅有行星的情況暗得多，亮度甚至可以相差一倍。
他們還認為，縱使系外衛星距離它們的宿主行星很近，使得二次變暗不大可能出現，天文學家仍然有可能通過觀察行星重複性的凌星模式隨著時間的變化，進而推斷衛星的存在。通常來說，凌星現象應該類似於節拍器一樣準確地重複，但是有時它們會稍稍偏離，比科學家預想的提早或延遲一點。這種凌星時變效應往往是因其他繞宿主恆星旋轉的行星引力拖拽而產生，但是也可以由附近巨大的衛星導致。
想要理解這一切是如何發生的，我們可以從我們自己的地月系統中得到不少啟示。嚴格地說，月亮並不是圍繞地球運動的，地球和月球是在繞著它們的質心旋轉。不過，地月系統的質心始終都在地球上，因為地球相對於月球來說還是重得多。（準確來說，地月系統的質心位於地幔某一處，偏離地球的中心。）因此一個很自然的結果是，地球圍繞太陽公轉的時候，會輕微地偏離公轉軌道擺動。這個擺動則是薩爾托雷蒂和施奈德企圖尋找的。
2017年，泰切和哥倫比亞大學的天文學家戴維·基平（David Kipping）共同篩選開普勒望遠鏡的數據，來尋找系外衛星干擾其宿主恆星星光的蹤跡。他們分析了大約300個行星，希望能夠找到一些衛星。最終，他們找到了一個候選者：Kelper-1625b。
他們申請了哈勃空間望遠鏡的觀測時間，令人驚喜的是申請被批准了。接著他們花費了將近一年的時間來研究哈勃望遠鏡的數據，其中還包括學習如何運用這些數據的時間。基平和泰切最終完成了他們的分析，哈勃望遠鏡的觀測結果表明，相比於孤立的行星-恆星模型，這顆行星的凌星時間提前，表明它的旁邊可能存在一顆衛星。數據的分析結果顯示，行星的凌星時間每五年就會變化20分鐘。「我們知道的確存在什麼東西在擾動這顆行星，」基平說，「並且我們認為它就是這顆行星的衛星。」
泰切和基平在2018年年初把他們的論文投送到了預印本網站，2018年10月，這篇文章最終發表在了《科學·進展》（Science Advances）雜誌上。他們聲稱有證據支持存在一個海王星大小的衛星環繞Kepler-1625b旋轉，而該行星自身大小則是木星的許多倍。泰切和基平沒有聲稱自己發現了太陽系外衛星。「我覺得人們可能對於我們報道這個發現的方式很失望，」泰切說，「人們認為我們試圖通過這項發現博取聲望，但還給自己留了後路，因為我們並沒有完全申明這個發現。我理解人們失望所在——這顆衛星到底存在嗎？但目前還有太多太多的未知因素。」
在泰切和基平發表自己的研究結果之後，其他天文學家也踴躍參與到這項研究中。德國馬普太陽系研究所的天文學家雷內·海勒（René Heller）重複了泰切的部分工作，但認為沒有足夠的證據支持衛星的存在。而研究系外行星大氣的蘿拉·克雷德貝格（Laura Kreidberg），同樣也沒法證明這項工作中一個關鍵的部分。
……
泰切和基平公布研究結果之後的幾個月里，天文界對系外衛星的關注不斷增加。很快，就有不同的研究團隊相繼聲明找到了系外衛星。這些可能的系外衛星都身處何方，研究人員是怎樣找到它們的？
但另一方面，直到現在，系外衛星的確鑿觀測證據目前仍然難以獲取。面對技術上的難題，天文學家想出了怎樣的解決方案？
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但要找到這些隱藏在星光背後的天體卻是困難重重。它們的信號可能隱藏在星光微弱的亮度變化，或是漫長閃爍周期的短暫波動中。
在這篇節選自《環球科學》4月新刊的文章中，我們將看到：藉助不斷升級的望遠鏡和全球合作，人類正在逐步接近系外衛星。
撰文 | 麗貝卡·博依爾（Rebecca Boyle）
翻譯 | 許峰瑋
1655年，丹麥天文學家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）親自搭建起了一台折射式望遠鏡，並將其對準土星。他認為這個行星周圍環繞著一個固態環，打算觀測這個環的傾角如何隨時間變化。不過他卻在觀測過程中看到了一些意料之外的東西——一個巨大的衛星（現在我們稱之為土衛六或泰坦星）。土星成為了繼地球和木星之後，第三個被發現具有衛星的行星。在太陽系中，土星那樣的環的確很罕見，不過衛星則是司空見慣了。
直到20世紀末，人類所知的行星還僅是包括地球在內，沐浴著太陽光芒的8顆系內行星。不過，從上世紀90年代開始，人類對行星的認識有了變化，當時天文學家發現了第一顆太陽系外行星。而到2009年，當開普勒空間望遠鏡將它的鏡頭對準宇宙深處時，過去的認識更是被徹底顛覆了。我們現在知道宇宙遍布著行星，其數量遠比恆星要多。我們尚未找到一顆看上去像是地球的行星，或證明某個系外行星擁有衛星，但是我們正在一步步接近這些目標。
21世紀初期，當天文學家通過遮擋星光找到一些系外行星時，他們就開始考慮系外衛星了，而從2018年開始的一些研究也發現了幾個有希望的候選體。實際上，能夠準確定位一顆太陽系外行星的衛星，將會是我們認識宇宙的又一塊里程碑。通過這項工作，我們將會確認這些衛星在宇宙中到底是無處不在的，還是稀有罕見的；相對於它們的宿主行星普遍偏大還是偏小；它們是通常伴隨著母體行星形成，還是在行星形成之後的一次災難性事件中誕生；這些衛星是結伴形成，還是單獨出現。
中國台灣「中央研究院」天文及天體物理研究所的博士後亞歷克斯·泰切（Alex Teachey）和同事發現，系外行星Kepler-1625b可能擁有一顆衛星。他說：「每次我們看到系外行星，我都會把它看成一面映射地球歷史的鏡子，在哪些方面我們是普通的，而在哪些方面我們又是獨一無二的呢？就像我們開始觀察到那些古怪的系外行星系統一樣，我們可能會很驚訝於系外衛星的奇特。」
插圖：戴維·帕倫博（David Palumbo）
衛星紅利
不管是在太陽系中，還是我們目前所能看到的範圍內，地球仍舊是獨特的。畢竟它是我們所知唯一孕育了生命的行星，也是唯一一個用活躍的內部活動塑造了表面的行星——板塊構造使得生命得以傳播並且演化。它還是唯一一個擁有足夠厚的大氣層來維持液態水存在的行星，它的季節規律性更替，能長期維持穩定，它同時也和太陽保持著剛好的距離，不會太冷也不會太熱。而這些維持生命存在的前提，或多或少都和月球有關。
月球在地球歷史上所扮演的角色可以追溯到約45億年前，那時候一顆與目前火星大小相近的行星與誕生不久的地球發生了碰撞，這場災難性的事件遺留下了一個熾熱的橢球形地球和一個同樣熾熱的月球。從那時候開始，月球持續冷卻，並且不斷遠離地球。隨著時間推移，月球遠離，地球因為引力作用開始變得更圓，地殼在月球潮汐力下彎曲。地殼的變形可能導致了早期板塊的出現。同時，月球的遠離也減慢了地球的自轉，每經過一個世紀，就會讓地球的一天變長大約兩毫秒。
相對於地球來說，月球非常重，我們所處行星的質量僅是衛星的81倍。相較於太陽系其他的行星-衛星系統來說，這個比值很小。正是因為質量比值小，月球引力保證了地球的自轉軸始終相對於公轉軸保持23.5度的傾斜，這個穩定的結構保證地球長久不變的季節更替。除此之外，地球海洋的潮汐主要是月球引起的，這種現象塑造了海岸線，孕育了海洋里的諸多生物。月球的潮汐力很可能在生物演化中起到了至關重要的作用，驅使植物和四足動物離開海岸邊的鹽沼登上陸地。
地球的衛星——月球——塑造了我們地球的歷史，並且幫助地球成為生命的宜居地（圖為從國際空間站看到的月球）。
要說地球這個單一樣本的過去給我們提供了哪些啟示，那就是系外行星如果沒有衛星將會完全不同。沒有衛星的系外行星可能只是毫無生機的石頭，註定像火星一樣隨著時間流逝發生傾斜，時而極寒時而酷熱，大氣無法穩定存在，生命也註定無法長久。系外衛星如果存在，甚至其本身可能會比宿主行星更加適合生命存在。因此，想要尋找太陽系外的生命，需要關注那些更可能具有衛星的行星，甚至是衛星本身。
惠更斯不知道的是，他所發現的土衛六，那顆橘紅色的星球上充斥著甲烷和乙烷的江河湖海，實在太像一顆行星了。雖然對於我們或者任何我們已知的生物來說，土衛六都不是宜居的星球，但是它有液態的環境，同時有足夠厚的大氣層，意味著它為混合生命所需的要素提供了機會，也就是為孕育生命提供了機會。反觀其宿主行星土星，由於具有太強的引力和大團的氨氣，永遠沒法成為孕育生命的搖籃。類似的情況對於木星同樣適用，木星像是半個恆星，具有強大的輻射帶以及對地球生命來說致命的氣體層，但是它的衛星就不一定有這樣的問題。
「根據對太陽系的了解，我們認為像木星這樣的行星可以有相當大的衛星，足以擁有液態水，」 安大略省西方大學的研究生克里斯·福克斯（Chris Fox）說道，「如果一個木星位於太陽系的宜居帶上，你可以看到一個像地球一樣的衛星，上面還可能存在生命。基於這個想法，同時考慮到衛星的數量，我們推測或許衛星上的生命會比行星上的更常見。」
換句話說，系外衛星本身可能就是宜居的，同時還可能有助於讓它們的宿主行星變得宜居。因此，尋找系外衛星將會讓我們在理解衛星的同時，更進一步了解我們自己。
有趣的候選體
在開普勒空間望遠鏡開始觀測之前，天文學家就猜測整個宇宙充滿了像地球這樣的生命家園，並且它們也有自己的衛星。現在在巴黎天文台工作的保拉·薩爾托雷蒂（Paola Sartoretti）和瓊·施奈德（Jean Schneider）在1999年首次提出，可以利用凌星法搜尋系外衛星。
如果一顆恆星和它的行星排列的平面與視線方向平行——就好比你從太陽系平面的側面觀測，而不是從垂直於太陽系平面的方向觀測一樣——恆星會因為行星經過而被遮擋了部分的光線，從而亮度周期性降低。這種類似於日食的現象叫做凌星。當凌星現象以一個固定的周期重複，我們通常就可以確定，存在一個環繞恆星運行的天體導致其亮度變暗。開普勒望遠鏡採用這種方法尋找系外行星已經有十幾年了。
薩爾托雷蒂和施奈德認為，距離其宿主行星較遠的衛星，也可以利用類似的方法探測，只要在凌星的時候，衛星在其宿主行星的旁邊。更確切地說，如果衛星距離宿主行星足夠遠， 恆星的變暗程度可以比僅有行星的情況暗得多，亮度甚至可以相差一倍。
他們還認為，縱使系外衛星距離它們的宿主行星很近，使得二次變暗不大可能出現，天文學家仍然有可能通過觀察行星重複性的凌星模式隨著時間的變化，進而推斷衛星的存在。通常來說，凌星現象應該類似於節拍器一樣準確地重複，但是有時它們會稍稍偏離，比科學家預想的提早或延遲一點。這種凌星時變效應往往是因其他繞宿主恆星旋轉的行星引力拖拽而產生，但是也可以由附近巨大的衛星導致。
想要理解這一切是如何發生的，我們可以從我們自己的地月系統中得到不少啟示。嚴格地說，月亮並不是圍繞地球運動的，地球和月球是在繞著它們的質心旋轉。不過，地月系統的質心始終都在地球上，因為地球相對於月球來說還是重得多。（準確來說，地月系統的質心位於地幔某一處，偏離地球的中心。）因此一個很自然的結果是，地球圍繞太陽公轉的時候，會輕微地偏離公轉軌道擺動。這個擺動則是薩爾托雷蒂和施奈德企圖尋找的。
2017年，泰切和哥倫比亞大學的天文學家戴維·基平（David Kipping）共同篩選開普勒望遠鏡的數據，來尋找系外衛星干擾其宿主恆星星光的蹤跡。他們分析了大約300個行星，希望能夠找到一些衛星。最終，他們找到了一個候選者：Kelper-1625b。
他們申請了哈勃空間望遠鏡的觀測時間，令人驚喜的是申請被批准了。接著他們花費了將近一年的時間來研究哈勃望遠鏡的數據，其中還包括學習如何運用這些數據的時間。基平和泰切最終完成了他們的分析，哈勃望遠鏡的觀測結果表明，相比於孤立的行星-恆星模型，這顆行星的凌星時間提前，表明它的旁邊可能存在一顆衛星。數據的分析結果顯示，行星的凌星時間每五年就會變化20分鐘。「我們知道的確存在什麼東西在擾動這顆行星，」基平說，「並且我們認為它就是這顆行星的衛星。」
泰切和基平在2018年年初把他們的論文投送到了預印本網站，2018年10月，這篇文章最終發表在了《科學·進展》（Science Advances）雜誌上。他們聲稱有證據支持存在一個海王星大小的衛星環繞Kepler-1625b旋轉，而該行星自身大小則是木星的許多倍。泰切和基平沒有聲稱自己發現了太陽系外衛星。「我覺得人們可能對於我們報道這個發現的方式很失望，」泰切說，「人們認為我們試圖通過這項發現博取聲望，但還給自己留了後路，因為我們並沒有完全申明這個發現。我理解人們失望所在——這顆衛星到底存在嗎？但目前還有太多太多的未知因素。」
在泰切和基平發表自己的研究結果之後，其他天文學家也踴躍參與到這項研究中。德國馬普太陽系研究所的天文學家雷內·海勒（René Heller）重複了泰切的部分工作，但認為沒有足夠的證據支持衛星的存在。而研究系外行星大氣的蘿拉·克雷德貝格（Laura Kreidberg），同樣也沒法證明這項工作中一個關鍵的部分。
……
泰切和基平公布研究結果之後的幾個月里，天文界對系外衛星的關注不斷增加。很快，就有不同的研究團隊相繼聲明找到了系外衛星。這些可能的系外衛星都身處何方，研究人員是怎樣找到它們的？
但另一方面，直到現在，系外衛星的確鑿觀測證據目前仍然難以獲取。面對技術上的難題，天文學家想出了怎樣的解決方案？
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