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它們到底是不是太陽系外的第一顆行星?一場曠日持久的團隊競賽

2024-02-01科學

你知道嗎?除了我們熟悉的太陽系八大行星之外,宇宙中還有無數的行星,它們圍繞著其他的恒星執行,我們稱之為太陽系外行星,或者簡稱為外行星。外行星的數量和多樣性令人驚嘆,有些甚至比地球更適合生命存在。但是,外行星並不是孤獨的,它們也可能有自己的伴侶,就像我們的月亮一樣,我們稱之為太陽系外衛星,或者簡稱為外衛星。

外衛星是什麽樣子的?它們有多大?它們是如何形成的?它們是否有可能孕育生命?這些問題都是天文學家和科學家們非常感興趣的,因為外衛星可能會揭示宇宙的奧秘,也可能會讓我們找到新的家園。但是,要探測到外衛星並不容易,因為它們距離我們太遠,太小,太暗。目前,我們還沒有直接觀測到任何一顆外衛星,只能透過間接的方法來推測它們的存在。

其中一種方法是利用淩日法,也就是當外行星或外衛星從它們的母恒星前面經過時,會遮擋一部份恒星的光,造成光度的變化。透過測量這種變化,我們就可以推斷出外行星或外衛星的大小,軌域,甚至大氣成分。這種方法已經成功地發現了數千顆外行星,但是對於外衛星來說,它們造成的光度變化太微弱,很難被探測到。

然而,這並沒有阻止一些執著的天文學家們,他們仍然在努力尋找外衛星的蹤跡,甚至宣布了一些潛在的發現。但是,這些發現並沒有得到廣泛的認可,反而引發了一場激烈的爭論,科學家們對於外衛星是否真的存在,以及如何探測它們,各執己見。這場爭論的背後,是一場關於科學方法,數據分析,和望遠鏡技術的較量,也是一場關於人類探索宇宙的渴望,和對未知的好奇的故事。

故事要從2018年說起,當時包括哥倫比亞大學天文學助理教授大衛-基平在內的天文學家認為,他們首次探測到了一顆外小行星。這個主題是在系外行星克卜勒-1625b周圍發現的,這是一個類似木星的世界,距離地球約8000光年。它最初是由克卜勒太空望遠鏡發現的。

據稱,克卜勒-1625b 的衛星一經發現,就被恰當地命名為 「克卜勒-1625 b I」。後來,哈伯太空望遠鏡的數據似乎進一步證實了這一點。隨後,在2022年,包括基平在內的另一個研究小組似乎又發現了第二顆外衛星,這一次他們只用了克卜勒太空望遠鏡。據說這顆外小行星環繞著克卜勒-1708 b執行,克卜勒-1708 b是一顆瓦斯巨行星,距離地球約5400光年,品質是木星的4.6倍。這顆潛在的第二顆外行星的名字與第一顆相似,被命名為 「克卜勒-1708 b I」。

用於探測這兩顆系外行星的技術與淩日法類似,迄今為止,淩日法已經在系外行星目錄中的5000多顆行星中發現了大量行星。

當行星從我們在宇宙中的有利位置穿過或 "越過 "母恒星時,來自行星母恒星的光線會產生一個微小的凹陷,這就是淩日法的關鍵所在。同樣的原理也適用於外月星,盡管其規模要小得多。如果這些衛星在行星 "淩日 "時處於圍繞行星執行的正確位置,那麽也會造成光衰,盡管這種光衰微不足道。

然而,這種小型光衰正是克卜勒-1625 b I 和克卜勒-1708 b I 的存在給外行星團隊提供了線索。然而,由於外衛星過境造成的這種光輸出下降非常微小,因此無法直接看到。相反,需要強大的計算軟體演算法才能從望遠鏡數據中發現它。

基平說,他的 "支持外小行星 "團隊和海勒的 "反對外小行星 "團隊都使用了來自相同望遠鏡的相同數據,但克卜勒-1625 b I和克卜勒-1708 b I的消失可能是由於這兩個團隊如何透過所使用的演算法處理這些數據造成的。

"no-exomoon "小組可能由於選擇了分析哈伯和克卜勒望遠鏡數據的軟體而錯過了克卜勒-1708 b I。雖然該軟體與他和 "支持外行星 "團隊使用的軟體有關,但還是略有不同。

基平還認為,"無外行星 "團隊使用的軟體通常非常可靠,但他們的軟體沒有使用預設模式,而是使用了對處理數據的步驟數量非常敏感的模式。這也授權以解釋為什麽他們在計算過程中漏掉了外小行星。

對於克卜勒-1625 b I,海勒和他的 "無外月 "團隊提出了一種叫做 "恒星邊緣變暗 "的效應,這意味著恒星的邊緣比中心更暗,從而影響了所提出的外月訊號。海勒的團隊認為,恒星邊緣變暗實際上比外月的存在造成的變暗更能解釋母恒星的觀測結果。

基平認為,這並不能成為反對外衛星候選者的理由,因為他和他的 "支持外衛星 "團隊在首次提出克卜勒-1625 b I存在時,就已經考慮到了這種星緣變暗。

他們團隊在最初的論文中已經考慮到了邊緣暗化,所以他們認為這並不是搞砸了,忘記了這一點,比關切認為這個洞看起來只是個’障眼法’,它並不影響外小行星的論證。

而外行星揭秘團隊的首席研究員雷內-海勒研究了基平及其團隊返回的論文,但他並沒有動搖對克卜勒-1625 b I和克卜勒-1708 b I存在的信念。

這些外行星出現在過境方法中的全部原因是,它們是巨大的迷你海王星大小的天體,直徑可能是地球的 1.6 倍到 4 倍。如果它們真的存在,那麽它們就是巨大的。

基平認為,這可能是它們太不尋常的部份原因,以至於無法被廣泛接受為第一個外行星發現。

基平認為克卜勒-1625 b I和克卜勒-1708 b I有很多疑點,因為它們都很奇怪。它們都像是迷你海王星大小的衛星,對吧?每個人都在問:"這是誰的命令?宇宙是如何制造出如此怪異的東西的?"然後這場爭論根本無濟於事。

基平現在打算利用詹姆士-韋伯太空望遠鏡來尋找與我們在太陽系內看到的衛星更相似的外行星。

他說:"我的策略也許是錯誤的,那就是看看我們能否用JWST找到一些更熟悉的衛星,類似於我們太陽系後院的衛星,比如木衛一和木衛二。"他說:"希望這能讓我們建立信心,相信當年看到的這些外行星真的很有趣,我們應該回去再看看它們。

基平非常清楚,無論最終的答案是 "外星月 "還是 「無外星月」,研究小組結論之間的分歧並不影響任何一組科學家的聲譽。相反,這只是表明,在望遠鏡技術取得重大進步之前,探測太陽系外行星周圍的衛星將是一項多麽具有挑戰性的工作。

"這是一項非常具有挑戰性的工作,我不會假裝不知道。在尋找太陽系外衛星時,我們正在尋找一種訊號,而這些望遠鏡在設計上都無法探測到這種訊號,"他說。他說:"我們認為我們可以從這些望遠鏡中獲得這樣的科學資訊。但這將這些儀器,尤其是克卜勒和哈伯,推向了它們所能做到的極限。

"因此,你在如何使用演算法、如何處理數據方面所做的決定和選擇,將決定成敗。

基平認為,這兩個團隊之間的分歧為狩獵外小行星的科學家提供了一個機會,讓他們可以比較各種方法,並就狩獵這些微小遙遠天體的最佳方法達成一致。

希望有一天,經過改進的外小行星探測方法能讓這兩組才華橫溢、充滿熱情的科學家團結起來,就外小行星探測方法達成一致。