自从詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）开始科学运行以来，它已在宇宙中揭开了一个又一个奇迹。然而，有一项发现却顽固地迟迟未能出现：系外卫星。这些卫星将环绕其他恒星系统中的行星运行，目前仍停留在理论层面。至今没有任何一颗得到确认。人们曾预计JWST会大量发现它们，但到目前为止，它一颗也没有找到。
这种失望可能为时过早。哥伦比亚大学天文学家、Cool Worlds YouTube频道主持人David Kipping在arXiv上发表的一篇新预印本论文认为，这台望远镜能够探测到系外卫星。它只需要反复观察同一个地方。为了论证这一点，Kipping分析了JWST对一颗名为LP 890-9 c的系外行星的一组观测数据。这项工作将一项零结果重新定义为方法论上的一次进步。
一场屡屡落空的卫星搜寻
系外卫星并非容易捕捉的目标。相对于其行星，卫星既小又暗，而行星本身相对于其恒星的耀眼光芒也只是一个微小的信号。天文学家通常通过观察行星凌星——即行星从其恒星表面经过——在时间或亮度上的变化来寻找它们。卫星会拉扯其行星，并可能增添自己微弱的阴影，从而在光变曲线中产生微小的不规则。
迄今为止，大多数搜寻都依赖于单次凌星。这是一个问题，因为一次性观测无法将真实的卫星信号与随机噪声区分开来。同样的局限性也一直困扰着JWST的系外卫星搜寻工作。在早前的一次观测活动中，望远镜观测了气态巨行星Kepler-167 e，希望捕捉到环绕它运行的一颗小卫星。但“红噪声”干扰了处理数据的计算机模型，使得探测任何比地球小得多的卫星都变得不可能。
红噪声对光变曲线的影响
红噪声是对探测器行为中缓慢、游移变化的统称。它可能来自仪器升温、望远镜指向的微小漂移，或被观测恒星表面的星斑。与随机的高频噪声不同，红噪声会形成可以模仿信号或掩盖信号的模式。
Kipping的洞见在于，红噪声在每次观测之间并不一致。相比之下，系外卫星必须遵守物理定律。在环绕行星的轨道上，它必须在特定时间出现在特定位置。它不可能仅仅在仪器故障恰好发生的地方凭空出现。星斑、探测器漂移和其他故障不会在多次凌星中以相同方式重复。
这种不匹配正是关键所在。如果天文学家将足够多的凌星数据叠加在一起，游移的噪声往往会相互抵消，而任何真实的卫星信号，由于与行星如钟表般规律的轨道相关联，则会自我增强。这种方法在原理上并不新鲜，但JWST的灵敏度及其重访目标的能力使其重新变得切实可行。
LP 890-9 c的十二次凌星
Kipping用LP 890-9 c检验了这一想法。这颗行星环绕一颗距离约105光年的超冷红矮星运行。该行星仅用8.46天就绕其恒星一圈，因此距离其宿主极其近。即便如此，由于这颗恒星如此寒冷，该行星仍位于理论上的宜居带内，这是一种罕见而引人入胜的组合。
至关重要的是，JWST曾多次观测该行星的凌星。Kipping得以分析来自十二次独立凌星的数据，这比定义大多数系外卫星搜寻的单次凌星快照要丰富得多。这种重复性为他提供了一个天然的实验室，用以检验平均化能否恢复一次性观测会丢失的灵敏度。
即使一次充满噪声的凌星也能被挽救
结果令人鼓舞。十二次凌星中有一次受到明显的红噪声影响。单独来看，那次观测可能已被丢弃。但当Kipping将其与另一次干净的凌星结合起来时，对可能存在系外卫星的灵敏度显著提高。更多的数据，以及对这些数据更仔细的组合，直接提升了对卫星的探测能力。
更重要的一点是，JWST的系外卫星荒并不意味着系外卫星不存在或无法探测。它意味着单次观测是错误的工作工具。如果搜寻策略与问题相匹配，这台望远镜就能找到卫星。
为什么排除卫星仍然有价值
未探测到很少成为头条新闻，但它们确实在做真正的科学工作。当一次搜寻落空时，它会对可能存在的东西设定限制。对于LP 890-9 c，该分析限制了微小卫星的存在，缩小了该行星周围可能存在的卫星系统范围。这些限制为行星如何形成、卫星如何诞生的模型提供了输入，这些问题即使在我们自己的太阳系中也仍然悬而未决。
这项工作还验证了一种方法。通过证明重复凌星能锐化灵敏度，Kipping为未来的JWST项目提供了一个模板。观测者不必花费宝贵的望远镜时间寄希望于一次幸运的单次凌星，而是可以围绕同一目标的多次凌星设计观测活动并将它们组合起来。
系外卫星科学的下一步
系外卫星仍停留在理论层面，该领域仍在等待其首次确认探测。但前进的道路现在看起来更加清晰。LP 890-9 c带来的教训是，耐心和重复至关重要。JWST最终可能会带来一颗系外卫星，不是通过一次戏剧性的观测，而是通过许多普通观测的悄然积累。
- 尚未确认任何系外卫星；它们仍是理论上的天体。
- JWST早前的单次凌星搜寻，包括对Kepler-167 e的一次，都受到红噪声的阻碍。
- 红噪声来自探测器漂移、升温和星斑，并且不会在多次凌星中以相同方式重复。
- 系外卫星遵循轨道力学，因此当多次凌星被组合时，它们的信号会增强。
- LP 890-9 c距离约105光年，轨道周期为8.46天，提供了十二次JWST凌星供分析。
- 即使将一次充满噪声的凌星与一次干净的凌星结合，也显著提高了对卫星的灵敏度。
对于一台已经改写了天文学如此多内容的望远镜来说，系外卫星搜寻提醒我们，发现往往既取决于我们如何观察，也取决于我们用什么观察。
本文基于Universe Today的报道。阅读原文。
Originally published on universetoday.com