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它们到底是不是太阳系外的第一颗行星?一场旷日持久的团队竞赛

2024-02-01科学

你知道吗?除了我们熟悉的太阳系八大行星之外,宇宙中还有无数的行星,它们围绕着其他的恒星运行,我们称之为太阳系外行星,或者简称为外行星。外行星的数量和多样性令人惊叹,有些甚至比地球更适合生命存在。但是,外行星并不是孤独的,它们也可能有自己的伴侣,就像我们的月亮一样,我们称之为太阳系外卫星,或者简称为外卫星。

外卫星是什么样子的?它们有多大?它们是如何形成的?它们是否有可能孕育生命?这些问题都是天文学家和科学家们非常感兴趣的,因为外卫星可能会揭示宇宙的奥秘,也可能会让我们找到新的家园。但是,要探测到外卫星并不容易,因为它们距离我们太远,太小,太暗。目前,我们还没有直接观测到任何一颗外卫星,只能通过间接的方法来推测它们的存在。

其中一种方法是利用凌日法,也就是当外行星或外卫星从它们的母恒星前面经过时,会遮挡一部分恒星的光,造成光度的变化。通过测量这种变化,我们就可以推断出外行星或外卫星的大小,轨道,甚至大气成分。这种方法已经成功地发现了数千颗外行星,但是对于外卫星来说,它们造成的光度变化太微弱,很难被探测到。

然而,这并没有阻止一些执着的天文学家们,他们仍然在努力寻找外卫星的踪迹,甚至宣布了一些潜在的发现。但是,这些发现并没有得到广泛的认可,反而引发了一场激烈的争论,科学家们对于外卫星是否真的存在,以及如何探测它们,各执己见。这场争论的背后,是一场关于科学方法,数据分析,和望远镜技术的较量,也是一场关于人类探索宇宙的渴望,和对未知的好奇的故事。

故事要从2018年说起,当时包括哥伦比亚大学天文学助理教授大卫-基平在内的天文学家认为,他们首次探测到了一颗外小行星。这个主题是在系外行星开普勒-1625b周围发现的,这是一个类似木星的世界,距离地球约8000光年。它最初是由开普勒太空望远镜发现的。

据称,开普勒-1625b 的卫星一经发现,就被恰当地命名为 「开普勒-1625 b I」。后来,哈勃太空望远镜的数据似乎进一步证实了这一点。随后,在2022年,包括基平在内的另一个研究小组似乎又发现了第二颗外卫星,这一次他们只用了开普勒太空望远镜。据说这颗外小行星环绕着开普勒-1708 b运行,开普勒-1708 b是一颗气体巨行星,距离地球约5400光年,质量是木星的4.6倍。这颗潜在的第二颗外行星的名字与第一颗相似,被命名为 「开普勒-1708 b I」。

用于探测这两颗系外行星的技术与凌日法类似,迄今为止,凌日法已经在系外行星目录中的5000多颗行星中发现了大量行星。

当行星从我们在宇宙中的有利位置穿过或 "越过 "母恒星时,来自行星母恒星的光线会产生一个微小的凹陷,这就是凌日法的关键所在。同样的原理也适用于外月星,尽管其规模要小得多。如果这些卫星在行星 "凌日 "时处于围绕行星运行的正确位置,那么也会造成光衰,尽管这种光衰微不足道。

然而,这种小型光衰正是开普勒-1625 b I 和开普勒-1708 b I 的存在给外行星团队提供了线索。然而,由于外卫星过境造成的这种光输出下降非常微小,因此无法直接看到。相反,需要强大的计算软件算法才能从望远镜数据中发现它。

基平说,他的 "支持外小行星 "团队和海勒的 "反对外小行星 "团队都使用了来自相同望远镜的相同数据,但开普勒-1625 b I和开普勒-1708 b I的消失可能是由于这两个团队如何通过所使用的算法处理这些数据造成的。

"no-exomoon "小组可能由于选择了分析哈勃和开普勒望远镜数据的软件而错过了开普勒-1708 b I。虽然该软件与他和 "支持外行星 "团队使用的软件有关,但还是略有不同。

基平还认为,"无外行星 "团队使用的软件通常非常可靠,但他们的软件没有使用默认模式,而是使用了对处理数据的步骤数量非常敏感的模式。这也许可以解释为什么他们在计算过程中漏掉了外小行星。

对于开普勒-1625 b I,海勒和他的 "无外月 "团队提出了一种叫做 "恒星边缘变暗 "的效应,这意味着恒星的边缘比中心更暗,从而影响了所提出的外月信号。海勒的团队认为,恒星边缘变暗实际上比外月的存在造成的变暗更能解释母恒星的观测结果。

基平认为,这并不能成为反对外卫星候选者的理由,因为他和他的 "支持外卫星 "团队在首次提出开普勒-1625 b I存在时,就已经考虑到了这种星缘变暗。

他们团队在最初的论文中已经考虑到了边缘暗化,所以他们认为这并不是搞砸了,忘记了这一点,比关切认为这个洞看起来只是个’障眼法’,它并不影响外小行星的论证。

而外行星揭秘团队的首席研究员勒内-海勒研究了基平及其团队返回的论文,但他并没有动摇对开普勒-1625 b I和开普勒-1708 b I存在的信念。

这些外行星出现在过境方法中的全部原因是,它们是巨大的迷你海王星大小的天体,直径可能是地球的 1.6 倍到 4 倍。如果它们真的存在,那么它们就是巨大的。

基平认为,这可能是它们太不寻常的部分原因,以至于无法被广泛接受为首个外行星发现。

基平认为开普勒-1625 b I和开普勒-1708 b I有很多疑点,因为它们都很奇怪。它们都像是迷你海王星大小的卫星,对吧?每个人都在问:"这是谁的命令?宇宙是如何制造出如此怪异的东西的?"然后这场争论根本无济于事。

基平现在打算利用詹姆斯-韦伯太空望远镜来寻找与我们在太阳系内看到的卫星更相似的外行星。

他说:"我的策略也许是错误的,那就是看看我们能否用JWST找到一些更熟悉的卫星,类似于我们太阳系后院的卫星,比如木卫一和木卫二。"他说:"希望这能让我们建立信心,相信当年看到的这些外行星真的很有趣,我们应该回去再看看它们。

基平非常清楚,无论最终的答案是 "外星月 "还是 「无外星月」,研究小组结论之间的分歧并不影响任何一组科学家的声誉。相反,这只是表明,在望远镜技术取得重大进步之前,探测太阳系外行星周围的卫星将是一项多么具有挑战性的工作。

"这是一项非常具有挑战性的工作,我不会假装不知道。在寻找太阳系外卫星时,我们正在寻找一种信号,而这些望远镜在设计上都无法探测到这种信号,"他说。他说:"我们认为我们可以从这些望远镜中获得这样的科学信息。但这将这些仪器,尤其是开普勒和哈勃,推向了它们所能做到的极限。

"因此,你在如何使用算法、如何处理数据方面所做的决定和选择,将决定成败。

基平认为,这两个团队之间的分歧为狩猎外小行星的科学家提供了一个机会,让他们可以比较各种方法,并就狩猎这些微小遥远天体的最佳方法达成一致。

希望有一天,经过改进的外小行星探测方法能让这两组才华横溢、充满热情的科学家团结起来,就外小行星探测方法达成一致。