[비즈한국] 詹姆斯·卡梅隆的《阿凡达》系列电影即将推出新作。如果说上一部讲述的是水的世界，那么这一次据说将呈现火与灰的世界。电影《阿凡达》的主舞台是外星行星“潘多拉”。许多观众认为潘多拉仅仅是一颗外星行星，但事实并非如此。潘多拉是一颗围绕着名为“波吕斐摩斯”（Polyphemus）的巨大气态巨行星运转的卫星！在距离太阳系最近的4.2光年外的比邻星（Proxima Centauri）旁，存在着波吕斐摩斯行星，而潘多拉正是绕其旋转的卫星。最近，为了将电影中的情节变为现实，一项有趣的实验正在展开，人们提出了寻找现实版潘多拉的具体计划。
将外星卫星而非外星行星作为主要舞台的设定非常引人入胜。因为天文学家们现在也开始思考，在围绕巨大气态行星运转的卫星上是否存在生命的可能性。太阳系的行星虽然只有八颗，但环绕它们的卫星数量超过400颗。其中，像木星的欧罗巴、木卫三，以及土星的土卫二、土卫六等，都拥有地底海洋甚至大气层，是非常令人惊叹的场所。随着对外星卫星视角的变化，外星生命存在的可能性也在增加。
最近逐渐显露真容的“现实版潘多拉”向我们展示了一个有趣的可能：无需寻找太远，或许就在太阳系的“邻居”家中就可能存在生命。
到目前为止，我们已经发现了近6000颗，甚至多达上万颗外星行星。理所当然，它们周围应该存在更多的外星卫星。既然如此，我们不仅要关注行星，是否也应该仔细观察外星卫星呢？但这并不简单。卫星相比行星体积太小。太阳系中最大的卫星木卫三，其大小仅相当于水星。因此，通常用于搜寻外星行星的方法直接套用到寻找外星卫星上会很困难。
寻找外星行星的常用方法如下：利用行星从恒星前方经过时遮挡星光导致亮度变暗的“凌日法”；利用沉重行星的引力导致恒星出现轻微晃动的“径向速度法”；或是利用行星自身引力使周边时空产生微小弯曲的“微引力透镜法”。然而，对于体型微小的外星卫星来说，上述三种方法都很难捕捉到明显的痕迹。我们需要探测到因某种围绕物体运行的星体而导致的恒星变化，但外星卫星相对于恒星来说实在太小了。外星卫星在恒星周围的微小移动，很难引起恒星表面可见的变化。
因此，天文学家们将目光投向了体量相当的外星行星的变化。虽然外星卫星很难对中心恒星比邻星造成显著影响，但却可能对旁边的行星产生影响。恰巧，比邻星周围正运行着一颗巨大的气态行星。如果那里真的有卫星，我们需要观测几年才能确认其存在呢？
天文学家们设定了一颗质量约为地球30倍的巨大卫星进行模拟。结果显示，围绕比邻星旋转的行星轨道产生了轻微的摇晃。剔除行星自身的轨道成分，就可以提取出纯粹由周边卫星引起的引力摄动效果。当然，质量达到地球30倍的卫星并非我们所预期的常规卫星，这个级别已经等同于一颗大行星了。因此，天文学家们又设定了更现实的卫星质量进行了更多实验。
假设的卫星质量越轻，观测到的行星轨道扭曲程度就越微弱。因此，仅靠1到2年的观测很难做出有意义的判断。即使轨道出现轻微扭曲，也很难区分这到底是由于轨道摄动，还是普通的观测噪声。于是，天文学家们设定了虚拟的观测环境，计算出要判定卫星的存在需要多长时间的观测，以及需要多强大的望远镜。
他们假设了更具现实意义、质量为地球一半到10%的小型卫星。结果发现，要从统计学上判断该卫星的存在，至少需要5年的连续观测以积累充足的数据。在假设周期为4天到30天的各类卫星情况下，均能识别出卫星的存在及其轨道。这种分析天体在夜空中呈现的微小运动变化的方法被称为“天体测量学”（astrometry）。
根据模拟，利用这种天体测量学方法，能在比邻星旁的外星行星周围发现的外星卫星，其质量至少要超过地球质量的20%。如果比这更轻，无论观测多久都很难做出有效判断。当然，即便只是这个质量，也比我们地球质量仅1%的月球要重得多。
但这其中还隐藏着另一个陷阱。要通过这种方式发现外星卫星，必须在5年内每小时观测一次。如果观测频率更低，则需要更长时间才能积累有意义的数据。也就是说，这需要一台专门用于该目标的望远镜，在5年内始终盯着那颗星和那颗行星。比邻星是我们太阳系最近的地方，也是人类不久后计划派遣探测器进行实地拍摄的地方，更是电影《阿凡达》的主舞台，让许多科幻迷心潮澎湃。即便如此，它是否值得我们投入大型望远镜的全部时间？这是否是一次有价值的尝试呢？
如果使用更大的望远镜，情况可能会好一些。目前欧洲正在建造直径达39米的欧洲极大望远镜（E-ELT）。此外，专门为了寻找外星行星及生命痕迹、直径为6到8米的“宜居世界天文台”（HWO）空间望远镜也正在加紧制造中。如果是这样的望远镜，即便每天观测一次，5年内也能积累足以判断周边是否存在外星卫星的有意义数据。当然，即便只是这种频率，也意味着望远镜对特定天体有所“偏爱”。
最近，詹姆斯·韦伯空间望远镜将目标瞄准了与比邻星组成三合星系统的半人马座α星，并成功拍摄到了外星行星的照片！遗憾的是，这颗行星存在生命的可能性更低了，因为它看起来是一颗气态行星，而非岩石行星。当然，如果它周围还有其他的冰冻卫星，现在就放弃希望还为时过早。但在探讨外星卫星的生命可能性之前，或许我们应该先确认一下我们居住的太阳系中其他行星的卫星是否存在生命。
比邻星，因为它距离我们最近，所以最受青睐，也是想象力驰骋最多的舞台。这里真的值得我们投入如此多的时间和精力吗？它有那么大的价值吗？那里是否真的隐藏着行星之外的卫星呢？
不久前，我们抬头仰望夜空时还只能想象恒星，但现在我们已经可以想象那颗恒星旁边存在的无数行星了。不久之后，我们还将想象环绕它们旋转的更多数量的卫星。呈现在眼前的宇宙景观虽然没有改变，但我们感受到的宇宙正变得越来越热闹、越来越拥挤。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae0741
作者池雄培（Ji Woong-bae）是谁？他热爱猫与宇宙。童年时期在看了《银河铁道999》后，立志要将宇宙的美丽传播给大众。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，进行讲座、写作等多种科学传播活动。著有《每天一片宇宙》、《星光熠熠的宇宙科学家们》、《虽无法到达却能了解》、《看到宇宙时浮现的奇怪问题》等书籍，并翻译了《给真正宇宙旅行者的指南》、《我是如何杀掉冥王星的》、《量子人生》、《Cosmigraphics》等作品。