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比木星还大的卫星!人类首颗系外卫星候选体,让天文学家集体懵了

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CD-35 2722系统的艺术想象图。其中左侧是系统中的恒星,右侧是褐矮星,中间是新发现的系外卫星候选体。

1992年,人类首次发现了太阳系以外的行星。1995年,米歇尔·马约尔(Michel Mayor)和迪迪埃·克罗兹(Didier Queloz)在类日恒星飞马座51(51 Pegasi)的周围发现了一颗行星飞马座51 b(51 Pegasi b),这是人类发现的首颗围绕主序星运行的系外行星,二人也因此获得了2019年诺贝尔物理学奖。在最新公布的这项有关系外卫星的研究中,研究人员使用的是和二人当年发现飞马座51 b时同样的方法。

从2023年10月至2026年2月,霍伊和他的同事使用甚大望远镜对这个系统进行了23次观测。他们发现,褐矮星发出的红外波谱中波长存在周期性变化,这种多普勒频移现象意味着在它周围有一颗质量不小的天体绕其运动,这个天体的引力对褐矮星的运动施加了扰动。在经过计算机模拟后,他们推断这个天体沿一个周期为170天的椭圆形轨道绕褐矮星运行,其质量至少是木星的0.9倍。

为了方便起见,研究人员还是先把这个天体称作“系外卫星”(exosatellite),他们创造了这个词,因为目前没有哪个词能够准确地描述这种天体,也缺乏定义系外卫星的明确标准。他们认为,它并不是严格意义上的“系外卫星”(exomoon),用系外行星(exoplanet)来描述也不合适。

这里需要注意的是两个均可译为“系外卫星”的单词之间的区别:除了共有的前缀exo-表示“系外”外,satellite泛指各种卫星,包括人造卫星,而moon除表示月球这个意思外,还指像月球一样的卫星。由此可见,即便新天体暂时被称作卫星,研究人员也认为此“卫星”与月球那种“卫星”并不属于一类。



单纯从质量来看,新发现的天体足以成为一颗行星,但是它又没有绕着一颗恒星运行,这样它就对我们此前对行星和卫星的定义提出了挑战,并重新点燃了一个长期存在的争论:究竟是什么使一颗行星成为行星,是天体的内在性质还是它与其他天体之间的关系。

一直以来,我们都是以后者这个视角来看待行星的。基于相互之间的环绕关系,我们对恒星、行星、卫星进行分类并为太阳系建立了秩序,而没有严格考虑天体的内在性质(如大小、质量或组成成分)。例如,太阳系中大小排名前二的卫星木卫三(Ganymede)和土卫六(Titan),它们在大小上与最小的行星水星相当。所以如果水星绕木星运行,我们就会把它称为卫星;如果土卫六绕太阳运行,我们则会把它称为行星。

从形成机制上看,新发现的卫星可能也和太阳系中的卫星截然不同。在太阳系中,卫星与其围绕的行星有紧密的关系,卫星形成的原材料可能来自行星形成后围绕行星的物质盘,盘中的气体和尘埃在引力的作用下逐渐聚集形成卫星。关于月球的形成,目前有多种理论,主流观点认为一颗火星大小的原行星撞击早期地球后,碎片聚集在一起形成了月球。但从质量来看,新发现的卫星的形成方式很难与太阳系内的卫星一样,因为那样需要一个巨大的物质盘。霍伊认为,褐矮星CD-35 2722 b及其卫星是直接从气体云中坍缩形成的,就像恒星形成的方式一样。

无论目前已知的系外卫星候选体是否最终被确认,随着极大望远镜、柏拉图空间望远镜以及其他观测设备陆续投入使用,我们已经站在了系外卫星世界的门口。

霍伊等人的发现同时提出了一些新问题,例如,既然新发现的卫星如此巨大,它可能有自己的“卫星”吗?这个系统可能存在比太阳系更复杂的层级结构吗?目前看存在这样的可能,只是我们的观测水平不足以发现更小的天体。未来的研究将帮助我们回答诸如此类的问题,使我们加深对系外行星和系外卫星的形成和演化的理解,了解宇宙中行星系统所具有的丰富多样性,并重新思考如何定义那些与太阳系截然不同的系统。

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