在我們的太陽系之外發(fā)現(xiàn)行星已經(jīng)是艱難的、費(fèi)力的工作。但在確認(rèn)系外行星的時(shí)候，一個(gè)更具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)是確定這些行星是否有自己的衛(wèi)星——aka“衛(wèi)星”。然而就像對系外行星本身的研究一樣，對外行星的研究提供了一些令人難以置信的機(jī)會來了解更多關(guān)于我們的宇宙。

概念圖給人的印象是一個(gè)類似地球的月球圍繞著一個(gè)土星的外行星，圖片：Wikipedia Commons/ Frizaven

在所有可能的候選中，最近期(也是最有可能的)是在2017年7月宣布的。這顆名為開普勒- 1625 b- i的月球圍繞著一個(gè)距地球約4000光年的氣體巨行星運(yùn)行。但是根據(jù)一項(xiàng)新的研究，這個(gè)exomoon實(shí)際上可能是一個(gè)海王星大小的氣體巨星本身。如果這是真的，那么這將是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)一個(gè)氣體巨行星繞著另一個(gè)氣體巨行星運(yùn)行的例子。

這項(xiàng)名為“巨型Exomoon候選kepler -1625 b- i的性質(zhì)”的研究最近發(fā)表在科學(xué)期刊《天文學(xué)和天體物理學(xué)》上。這項(xiàng)研究是由馬克斯·普朗克太陽系統(tǒng)研究所的天體物理學(xué)家勒內(nèi)·海勒進(jìn)行的，他研究了開普勒任務(wù)獲得的光曲線，以限制exomoon的質(zhì)量，并決定其真實(shí)性質(zhì)。

一個(gè)可居住的外環(huán)圍繞著一個(gè)氣體巨人運(yùn)行藝術(shù)圖，圖片：NASA

在太陽系中，衛(wèi)星告訴我們很多關(guān)于它們的宿主行星的形成和演化。同樣對外行星的研究很可能提供對太陽系外行星系統(tǒng)的洞察。正如海勒博士今天通過電子郵件向宇宙解釋的那樣，這些研究也可以說明這些系統(tǒng)是否有可居住的行星：月亮已經(jīng)被證明對研究太陽系行星的形成和演化非常有幫助。

例如地球的衛(wèi)星是確定最初的天體物理?xiàng)l件的關(guān)鍵，比如地球的總質(zhì)量和地球的原始自旋狀態(tài)，因?yàn)樗呀?jīng)成為我們的宜居環(huán)境。另一個(gè)例子是，木星周圍的伽利略衛(wèi)星被用來研究木星的原始吸積盤的條件，這顆行星在45億年前從木星上拉出了它的質(zhì)量。這個(gè)吸積盤早已消失，但在盤內(nèi)形成的衛(wèi)星仍在那里。所以我們可以利用這些衛(wèi)星，特別是它們的當(dāng)代成分和水的內(nèi)容，來研究遙遠(yuǎn)的過去的行星形成。

當(dāng)談到開普勒- 1625恒星系統(tǒng)時(shí)，先前的研究能夠?qū)﹂_普勒- 1625 b和它可能的月球的半徑做出估計(jì)，這是基于它在其恒星前的三次觀測。由這三種觀測到的過渡產(chǎn)生的光曲線，導(dǎo)致了開普勒- 1625號的理論，即開普勒- 1625號有一個(gè)海王星大小的exomoon軌道，距離地球半徑的20倍。

但正如海勒博士在他的研究中所指出的，沒有考慮到恒星的徑向速度測量(開普勒- 1625)，這將對兩種天體產(chǎn)生大量的估計(jì)。為了解決這個(gè)問題，海勒博士考慮了不同的質(zhì)量體系，除了行星和月球的表觀尺寸之外，還考慮了它們的觀測特征。除此之外，他還試圖將行星和月球放到太陽系的月球形成的背景中。

該圖是一個(gè)外行星圍繞著一個(gè)氣體巨人(左)和一個(gè)海王星大小的外行星(右)。圖片：NASA/JPL-Caltech

第一步與Heller博士合作，是根據(jù)開普勒觀測到的凌日光曲線所顯示的特性，對exomoon候選體和其主行星的可能質(zhì)量進(jìn)行估計(jì)。

對這些數(shù)據(jù)的動態(tài)解釋表明，這顆行星的大小大約是木星大小(以半徑為單位)，而褐矮星的質(zhì)量大約是木星的18倍。”“然而，由于開普勒數(shù)據(jù)的噪音，以及短暫的過渡(三)，這些不確定性很大。”事實(shí)上，宿主物體可能是一個(gè)類似木星的行星，甚至可能是一個(gè)中等大小的褐矮星，最多37個(gè)木星質(zhì)量。月球候選體的質(zhì)量介于地球質(zhì)量和海王星質(zhì)量之間。

接下來海勒博士比較了exomoon候選人和kepler -1625 b的相對質(zhì)量，并將這個(gè)值與太陽系的各種行星和衛(wèi)星進(jìn)行了比較。這一步是必要的，因?yàn)樘栂档男l(wèi)星顯示了兩個(gè)截然不同的人口，這是根據(jù)行星質(zhì)量與它們的準(zhǔn)行星質(zhì)量比相比較的。這些比較表明，月球的質(zhì)量與它的形成密切相關(guān)。

例如通過撞擊形成的衛(wèi)星，如地球的月亮和冥王星的衛(wèi)星Charon，相對比較重，而由行星的吸積盤形成的衛(wèi)星相對較輕。雖然木星的衛(wèi)星Ganymede是太陽系中最龐大的衛(wèi)星，但與木星本身相比，它是非常小的和微小的——木星是太陽系中最大和最龐大的天體。

從一個(gè)假想的月球上，圍繞著一個(gè)環(huán)繞著三星級系統(tǒng)的系外行星，對這一觀點(diǎn)的印象圖。圖片：NASA

最后Heller博士得到的結(jié)果證明是相當(dāng)有趣的。基本上，他們指出，開普勒- 1625 b- i不能被定義為這些家庭中的任何一個(gè)(沉重的，影響的衛(wèi)星和較輕的，吸積衛(wèi)星)。月球的候選者更多的是重質(zhì)，這表明它應(yīng)該通過撞擊形成。然而這個(gè)exomoon，如果是真的，很可能是氣態(tài)的。

太陽系的衛(wèi)星都是巖石或冰冷的物體，沒有一個(gè)重要的氣層(泰坦的大氣層很厚，但其質(zhì)量可以忽略不計(jì))。那么，一個(gè)氣態(tài)巨行星如何通過撞擊形成呢?我不知道。我不知道有沒有人知道。“或者在第三種場景中，開普勒- 1625 b -我可以通過捕獲來形成，但這意味著一個(gè)非常不可能的祖行星雙星系統(tǒng)，從它被拉入到開普勒- 1625 b的束縛軌道，而它的前行星同伴被逐出系統(tǒng)。

同樣有趣的是對基- 1625 b的質(zhì)量估計(jì)，赫勒博士平均為19個(gè)木星質(zhì)量，但可能高達(dá)112個(gè)木星質(zhì)量。這就意味著，這個(gè)主行星可能是一個(gè)氣體巨行星的任何東西，它比土星小一點(diǎn)，而不是一個(gè)褐矮星，甚至是一個(gè)低質(zhì)量恒星(VLMS)。因此，我們可以用一個(gè)氣體巨行星繞著一個(gè)小恒星運(yùn)行，而不是一個(gè)氣體巨行星繞著一個(gè)氣體巨星運(yùn)行，而這顆行星的軌道是一個(gè)更大的恒星。

t型棕矮星的概念圖，圖片：Tyrogthekreeper/Wikimedia Commons.

這是科幻小說的素材!雖然這項(xiàng)研究不能提供精確的質(zhì)量約束，但它的意義是不可否認(rèn)的。除了為天文物理學(xué)家提供第一個(gè)可能的氣體巨型月球的例子外，這項(xiàng)研究對于研究外行星系統(tǒng)的研究意義重大。如果和當(dāng)kepler -1625 b- i被證實(shí)時(shí)，它將告訴我們很多關(guān)于它的宿主形成的條件。與此同時(shí)，需要更多的觀察來證實(shí)或排除月球的存在。幸運(yùn)的是，這些觀察將在不久的將來進(jìn)行。

當(dāng)kepler -1625 b在2017年10月29日進(jìn)行下一次運(yùn)輸時(shí)——哈勃太空望遠(yuǎn)鏡將會觀看!根據(jù)它觀察到的光線曲線，科學(xué)家應(yīng)該能夠更好地了解這個(gè)神秘的月球是真實(shí)的還是它的樣子。如果月球在數(shù)據(jù)中是一個(gè)幽靈，那么大多數(shù)研究將不適用于開普勒- 1625系統(tǒng)。”盡管如此，論文仍將給出一個(gè)關(guān)于如何對未來的外顯子進(jìn)行分類以及如何將它們納入太陽系的研究。

或者，如果kepler -1625 b- i是一個(gè)真正的exomoon，那么我的研究表明我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種新的月球，它的形成歷史與我們今天所知道的衛(wèi)星不同。對于天體物理學(xué)家來說，這無疑是一個(gè)棘手的難題。對系外行星系統(tǒng)的研究就像把洋蔥放在一個(gè)黑暗的房間里，燈都熄滅了。隨著下一代望遠(yuǎn)鏡在不久的將來的部署，我們一定會學(xué)到更多的東西！

博科園｜文: Matt Williams/Universe Today

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