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系外卫星

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艺术家想像的系外卫星
艺术家想像的系外卫星

系外卫星泛指在系外行星周围依照闭合轨道做周期性运行的卫星,虽然目前人类尚未发现任何系外卫星,但是理论上应该有许多卫星运行在系外行星周围。不过要侦测到系外卫星是非常困难的[1]

褐矮星卫星的定义

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传统定义指出卫星是在行星周围依照闭合轨道做周期性运行的天体,但是天文学家褐矮星周围发现行星大小的卫星,造成行星与卫星之间的分际相当模糊,因为褐矮星这种低质量的天体被视为失败的恒星。为了避免造成混乱,国际天文学联合会宣布:“真实质量低于进行核聚变质量的天体,该轨道上的恒星或恒星残馀物视为行星。[2]”根据天文学家的计算,天体要氘核聚变质量要达到木星质量的13倍以上,群众为对象的太阳 金属量。国际天文学联合会的定义指出,天体质量比这个下限还小被视为一颗行星,不论它们是如何形成。

特征

天文学家尚未发现任何系外卫星,因此它们的物理性质仍是一个未知数。然而,它们彼此之间的差异可能很大,就像太阳系里面的卫星一样。如果系外巨行星位于可居住区里面的话,它的大型卫星可能可以维持生命存在。

轨道倾角

对于距离恒星不太远的类地行星的撞击产生的卫星,由于恒星的潮汐作用,预计卫星的轨道平面将倾向于与行星围绕恒星的轨道对齐,但如果行星-月球距离较小,则可能倾斜。对于气态巨行星来说,卫星的轨道将倾向于与这颗巨行星的赤道对齐,因为它们形成于环绕行星的圆盘中。[3]

靠近恒星的行星周围缺少卫星

在圆形轨道上靠近恒星的行星会轻视并潮汐锁定。当行星的旋转速度减慢时,行星的同步轨道半径从行星向外移动。对于潮汐锁定在恒星上的行星,月球绕行星同步轨道的距离在行星的希尔球之外。这颗行星的山丘球体是它的引力支配恒星引力的区域,因此它可以抓住它的卫星。行星同步轨道半径内的卫星将螺旋进入行星。因此,如果同步轨道在山球之外,那么所有的卫星都会螺旋进入行星。如果同步轨道不是三体问题,那么在这个半径之外的卫星在到达同步轨道之前将逃离轨道。[3]

潮汐引起的迁移研究为这一现象提供了一个可行的解释。研究表明,主行星的物理演化(即内部结构和大小)对其最终命运起着重要作用:同步轨道可能成为瞬变状态,卫星很容易在半渐近半长轴上停滞,甚至从系统中弹出,在那里会出现其他影响。反过来,这将对系外卫星的探测产生重大影响。[4]

观测方法

艺术家想像的系外行星(类似土星)与卫星(类似地球)
艺术家想像的系外行星(类似土星)与卫星(类似地球)

虽然天文学家尚未发现任何系外卫星,但是理论上许多系外行星都应该拥有卫星[5]。尽管行星猎人利用都普勒光谱法来发现许多系外行星[6],但是无法利用这种技术来系外卫星。这是因为行星与卫星造成的恒星光谱的转移,将会以一个点在轨道上的移动,所以无法分辨出行星与卫星。因此天文学家将会用下列几种方式来侦测系外卫星:

  • 凌日时间影响
  • 照相法
  • 凌日法
  • 天体测量法
  • 脉冲星计时法
  • 都普勒光谱法(针对行星使用)
  • 重力微透镜法
  • 无线电波 类似木卫io和木星间发射电波

凌日时间影响

伦敦大学学院的天文学家大卫·基平在2009年发表了一篇文章[7][1],概述天文学家如何观测卫星穿越行星时产生的变化。在后续的研究中,大卫·基平与其他天文学家认为开普勒太空望远镜可以侦测到位于适居带的系外卫星[8]

照相法

要对系外卫星直接拍摄照片是极具挑战性任务,比对系外行星更难,因为卫星的亮度及大小都不及行星。小型的系外卫星更是难以使用这个方法侦测到。

凌日法

当系外行星通过主星前面的时候,天文学家可以观测到恒星的光度产生小幅度的下降。这种现象也被称为掩星,与行星的半径成正比例变动。如果行星及卫星通过主星的前面,它们都会对于恒星的光度产生影响[9]。当它们通过主星的前面时可能会出现行星-卫星蚀[10],但这种情况的概率相对较低。

微引力透镜

韩国天文学家在2002年建议利用微引力透镜来探测系外行星附近的卫星[11] 。研究人员发现侦测卫星在透镜光度曲线中的信号非常困难,因为信号的来源有限而被严重模糊,而恒星的半径角度过小也造成阻碍。 人马座中一颗恒星明亮的瞬间 —微引力透镜 ,但目前还没被确认 MOA-2011-BLG-262 .

都普勒光谱法

天文学家已经成功利用都普勒光谱法辨识出几颗系外行星,包括HD 189733 bHD 209458 b。天文学家侦测到的光谱质量明显比恒星光谱更受到杂讯的影响。光谱分辨率及接收到的光谱特征所需要的水准远低于天文学家对于系外行星进行都普勒光谱法所需的水准。

脉冲星计时法

澳大利亚蒙纳士大学的天文学家刘易斯、萨基特及Mardling[12] 在2008年提出使用脉冲星计时法来探测脉冲星行星的卫星。作者们运用他们的方法对PSR B1620-26 b进行侦测,并发现一个卫星可以稳定存在的区域,如果卫星的轨道距离行星为行星公转轨道的五十分之一,质量为行星5%以上。

候选行星

艺术家对MOA-2011-BLG-262系统的印象。
艺术家对MOA-2011-BLG-262系统的印象。

据推测,位于半人马座的恒星1SWASP J140747.93-394542.6可能有一颗带卫星的行星。[13] 确认的太阳系外行星WASP-12b也可能拥有一个月球。[14]

艺术家想像的的开普勒1625b与其可能的卫星开普勒1625b I。[15]
艺术家想像的的开普勒1625b与其可能的卫星开普勒1625b I[15]

2013年12月,MOA-2011-BLG-262的一颗候选系外卫星被宣布,但由于微透镜事件建模的退化,观测结果也可以解释为海王星质量行星绕着一颗低质量红矮星运行,作者认为这种情况更有可能发生。[16][17][18] 几个月后的2014年4月,这个候选行星也出现在新闻中。

2018年10月,研究人员利用哈勃太空望远镜发表了对候选系外卫星开普勒1625b I的观测结果,这表明宿主行星可能有几个木星质量,而系外卫星的质量和半径可能与海王星相似。这项研究得出结论,外月假说是对现有观测结果最简单和最好的解释,尽管它警告说,很难对其存在和性质给出精确的概率。[19][20]

列表

行星的主恒星 行星名称 行星质量
MJ
行星半长轴(AU) 卫星半长轴 卫星质量
M
注释
1SWASP J140747.93-394542.6 J1407b[21] 14–26 2.2–5.6 0.24 AU <0.3 两个可能的卫星位于J1407b附近的小环隙中。
0.25 AU
0.40 AU <0.8 可能的卫星位于于J1407b附近的大环隙中。
HD 189733 HD 189733 b 1.13 0.031 16 RP ? 通过研究HD 189733 b发出的光周期性的增加和减少而发现。在行星的希尔球之外。[22]
开普勒1625 开普勒1625b <11.6[23] 0.98 45 RP 10 可能是海王星大小的外月或双行星,由过境观测表明。[24][25]
N/A MOA-2011-BLG-262L[26] 3.6 N/A 0.13 AU 0.54 由微透镜发现的;然而,还不知道这个系统是一个围绕自由漂浮行星运行的次地球质量的系外卫星,还是一个围绕低质量红矮星运行的海王星质量的行星。[27]
N/A MOA-2015-BLG-337L 9.85 N/A 0.24 AU 33.7 由微透镜发现的;然而,还不知道这个系统是一个围绕自由漂浮行星运行的超级海王星质量行星,还是一个双星褐矮星系统。[28]
WASP-12 WASP-12b[29] 1.465 0.0232 6 RP 0.57–6.4[来源请求] 通过研究WASP-12b发出的光周期性的增加和减少而发现。在行星的希尔球之外。[22]
WASP-49 WASP-49b 0.37 0.0379 ? ? WASP-49b周围的钠膜可能是由一个类似于木卫一的卫星造成的。[30]

检测项目

作为克卜勒任务的一部分,开普勒搜寻外卫星英语Hunt for Exomoons with Kepler(HEK)项目旨在探测外卫星。[31][32]

适居性

目前至少有两篇刊发在同行审阅的期刊上的论文研究了系外卫星的适居性。René Heller & Rory Barnes[33] 讨论了恒星和行星(母星的热辐射及反射光)对卫星的光照影响,以及卫星蚀对平均轨道表面的照明影响。同时还讨论了潮汐加热对适居性的威胁。在论文的第四节,作者引入了新概念来定义卫星的适居轨道。提到了环绕行星的适居带,作者将围绕某个行星的适居卫星内边界称为环绕行星的“适居边缘”,内适居边界由总光照(行星和恒星)和潮汐加热的效果决定。超过适居边缘的卫星无法拥有生命。在第二个研究中,René Heller [34] 还探讨了蚀和卫星轨道稳定性对系外卫星适居性的影响。他发现,根据卫星轨道偏心率的不同,适居卫星所在行星系的恒星的质量至少要为0.2倍的太阳质量。

参考资料

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外部链接

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