據國外媒體報導，在過去30年間，系外行星領域的研究可謂一路突飛猛進。到目前為止，共有3677個行星系中的4903顆系外行星已得到證實，還有8414顆尚待確認。這些行星十分豐富多樣，從“超級木星”到“超級地球”、再到“迷你海王星”和“水世界”，都為我們拋出了許多與行星形成和演化相關的問題。

科普貼系外行星

NASA開普勒望遠鏡的概念圖。

其中有一個問題尤為重要：天然衛星、或者說“系外衛星”究竟扮演了什麼角色？它們之間又有哪些共通之處？“

考慮到太陽系中衛星的數量，我們完全可以據此推斷，衛星在銀河系中無處不在。然而，雖然已知的系外行星已多達上千顆，但至今沒有經過證實的系外衛星供我們研究。不過在哥倫比亞大學教授大衛·基平、以及一支國際天文學家團隊的努力下，這種局面或將改變。在近期一項由NASA支持的研究中，基平和同事們報告了他們在分析開普勒太空望遠鏡數據時發現的一顆疑似系外衛星。

該研究團隊成員來自加州理工學院NASA系外行星科學研究所、NASA艾姆斯研究中心、麻省理工學院卡弗里天體物理學與太空研究所、加州大學洛杉磯分校莫尼·布米克理論物理研究所、蘇黎世聯邦理工學院粒子物理與天體物理研究所、以及台北中央研究院天文學及天體物理學研究所。

藝術家想像中的一顆宜居衛星。

基平教授由於在系外行星領域所做的開創性研究聞名海外。多年來，他和同事們一直在探索對系外行星開展研究和性質描述的方法。此外，基平教授還是“開普勒系外衛星搜索項目”的首席研究員。該項目與哈佛大學史密森尼天體物理中心聯辦，致力於在開普勒任務收集的數據中找到系外衛星存在的證據。基平在一封郵件中寫道：

“天文學家一般分為兩類，一類想弄清宇宙的運作原理，另一類則想知道是否存在外星生命。而係外衛星對這兩類天文學家都很重要。對前者而言，系外行星能為我們舉例說明，宇宙中其它地點的衛星會以何種形式存在。例如，每當我們仰望月球時，都忍不住思考，它的形成究竟是億萬分之一的運氣使然，還是行星形成過程中的必然結果。”

“對後者而言，衛星有可能成為生命的家園，這也是科幻小說的常見題材。既然NASA的首要目標之一是了解類地天體的普遍性，尋找衛星自然是其中的必要一環。事實上，就我們所知，宇宙中大部分的宜居環境也許都位於衛星上。”

月球是地球唯一的天然衛星，其形成和演變與地球本身緊密相關。根據“大碰撞說”，大約45億年前，一顆火星大小的天體（名叫“忒伊亞”）撞上了原始地球，由此形成瞭如今的地球和月球。此外還有一些科學家推測，這次劇烈撞擊或許正是地球現在如此宜居的原因。還有一種理論認為，月球有助於維持地球內部物質的流動，由此產生的磁場可以保護我們不受太空輻射傷害。出於以上原因，基平和同事們對系外行星系展開了研究，尋找探測系外衛星的途徑。他們採用的方法之一叫做“凌日時間變分法（簡稱TTV）”，將系外行星出現的引力波動解讀為衛星造成的影響。另一種方法是通過凌日光度測定法，尋找正在經歷凌日過程的系外衛星。

2017年，基平與開普勒系外衛星搜索項目團隊發現了目前為止最有希望的系外衛星“候選人”：開普勒-1625b-i。通過開普勒望遠鏡的凌日法測定結果，該團隊發現了距地球8000光年之外、一顆海王星大小的系外衛星（或者雙行星）圍繞一顆類似太陽的恆星旋轉的證據。一年後，他們又發布了由哈勃望遠鏡收集的新證據，進一步佐證了之前的發現。由於系外衛星探測難度很大，開普勒-1625b-i至今仍是唯一的疑似系外衛星。如基平所說：

“系外衛星的探測頗具挑戰性，因為它們一般比行星小，所以很難發現；它們的信號也容易與行星凌日信號混在一起、難以區分。尋找系外衛星的方法有很多很多。但從簡潔性的角度考慮，凌日法應該是最有效的方法，在系外行星的尋找中取得了很大成功。而且凌日現像是重複性事件，讓我們有機會對假說進行驗證。”

藝術家想像中、從一顆圍繞三恒星系統旋轉的行星的衛星上所見的情景。

如上文所述，天然衛星在太陽系中的氣態/冰質巨行星周圍十分常見。這些行星的軌道全都在冰凍線之外，因此“比較寒冷”（與熾熱的木星和海王星相比）。對於氣態和冰質的系外巨行星來說，或許也是同理。受此啟發，基平和同事們對開普勒望遠鏡收集的數據進行了檢索，尋找系外衛星與其圍繞的行星共同經歷凌日的跡象。

“據我們推測，像木星那樣熾熱的行星周圍有衛星的可能性不大，因為不適合衛星’存活’。我們認為寒冷的巨行星是最佳搜尋目標，但也只是猜測而已。”

為進一步驗證這一假說，基平和同事們對開普勒望遠鏡收集的寒冷氣態巨行星的歷史數據進行了分析。這些行星體積約為木星兩倍大，軌道周期在400天以上。在排除了凌日次數不足兩次（以及結果疑似假陽性）的天體後，他們總共篩出了73顆系外行星，作為考察樣本。接著，他們在“行星+衛星”和“只有行星”的模型基礎上、對這些樣本展開了分析，判斷在何種情況下，出現“行星+衛星”的可能性最大。最終他們認為，開普勒-1708b是最有希望的“候選人”。

“這是唯一一顆通過了我們能想到的所有檢驗的天體。”基平指出，“最好的解釋就是，它發出的是凌日信號，最適用的天體物理模型也是’行星+衛星’模型。在開展了大量測試後，我們找不到任何理由淘汰這一假說。”

當然，這項研究仍處於初期階段。基平和同事們也承認，尋找探測方法和精進技術都需要一定時間。“我相信我們可以從已經取得的這些成功出發，最終找到體積更小的衛星。到時候，我們也許不會對它們的性質感到猶疑不定，因為它們可能與太陽系中的衛星有許多相似之處。”

此外，隨著詹姆斯·韋伯和南希·格雷斯·羅曼等新一代太空望遠鏡的問世，對系外行星和系外衛星的研究將從中受益良多。如今詹姆斯·韋伯望遠鏡終於升空，鏡面和防熱罩也已部署完成，天文學家預計它在六個月之內便可開始拍攝工作。與此同時，極大望遠鏡、大麥哲倫望遠鏡等地面望遠鏡也將把系外衛星的搜索範圍進一步縮小。

利用其巨大的主反射鏡、分光儀、日冕觀測儀、以及自適應光學儀器，這些觀測站將對系外行星展開直接成像研究。在它們的幫助下，我們也許可以找到發現離恆星較近的小型岩質類地行星，或許還能發現圍繞其旋轉的系外衛星在光譜中留下的蛛絲馬跡。