我2007年，一个自动望远镜网络观测到半人马座中大约433光年远的一颗恒星。这颗恒星明显变暗了至少54天，在4月29日左右测量到最微弱的光。2012年，天文学家确定这颗恒星有一颗巨大的土星大小的气态行星，它的轨道由37个壮观的环组成。就像土星一样，这个被称为J1407b的行星在它的光环系统中也有一个空隙。科学家们认为，这一差距可能表明有一颗质量与地球大致相当的卫星。
直到20世纪末，唯一已知的行星是与地球共享太阳的7个行星。这种情况随着20世纪90年代末最早的系外行星发现而改变，并在2009年开普勒太空望远镜打开镜头后被彻底颠覆。我们现在知道宇宙中布满了行星，行星的数量远远超过恒星，而且这些行星的大小、位置和类型几乎应有尽有。可以说，自伽利略·伽利雷(木星最大的卫星的发现者)和惠更斯等天文学家以来，人类第一次以全新的眼光看待我们在宇宙中的位置。我们还没有找到一颗看起来像地球的遥远行星，也没有确认一颗系外行星是否有自己的卫星环绕。但我们已经越来越接近了。
本世纪初，在几颗系外行星开始在遥远的星光中闪烁之后，天文学家开始猜测系外卫星的存在，自2018年以来的搜索发现了一些有希望的候选者。在太阳系外定位一颗卫星将标志着我们宇宙视角的另一个重新定位。我们将了解卫星是无处不在还是罕见;与它们的行星相比，它们通常是大是小;无论它们是和它们的行星一起形成的，还是在后来的大灾难中形成的;以及它们是成群结队还是单飞。我们将能够了解我们的太阳系是否独一无二，地球和它孤独而巨大的月球是否独立存在。
台湾中央研究院天文与天体物理研究所博士后Alex Teachey说:“每次我们看到系外行星，我认为它是我们自己历史的一面镜子。”Alex Teachey是系外行星开普勒-1625b可能系外卫星的共同发现者。“我们在哪些方面是共同的，在哪些方面是不寻常的?”就像我们开始看到奇异的系外行星系统一样，我们也会对我们看到的系外卫星感到惊讶。”
月亮的好处
地球仍然是独一无二的，在太阳系中，在我们迄今为止看到的任何地方。它是已知唯一有生命存在的星球。它是唯一一个内部活动以板块构造的形式塑造外部表面的行星，这一过程本身在生命的扩散和演化中发挥着作用。它是唯一一颗拥有足够厚的大气层以支持液态水的行星，千年来保持稳定的气候，与太阳的距离刚好保持温暖，但不会太热的行星。这些条件的存在至少部分是因为地球的月球。
月球在地球历史上的作用可以追溯到最开始，大约45亿年前，当时一颗与现在的火星大小相当的行星与婴儿期的地球相撞。大灾难留下了一个炽热的长方形地球和一个沸腾的月球。自那以后，月球一直在冷却并远离地球。随着月球开始后退，地球变得更加球形，地壳在潮汐力的作用下发生弯曲。早期地壳变形，可能导致了构造运动的开始。月球的衰退也减缓了地球的自转速度，每过一个世纪，我们的一天就会延长近两毫秒。
月球的重量相对于地球来说是显著的;我们星球的质量只比我们的卫星大81倍，这个比例比我们太阳系的其他卫星小很多倍。例如，土星的重量是土卫六的4200倍。月球的引力保护着地轴，使地球相对于太阳的倾斜度保持在23.5度左右。这种结构在数千年里保护着地球的气候，而火星则相反，它没有相当大的卫星，因此每几百万年就会在零度到60度的极端温度之间摆动一次——这种变化导致了剧烈的气候变化。月球对地球的潮汐有着主要的影响，潮汐塑造了海岸线和海洋中的生命。月球的潮汐很可能在进化中发挥了作用，引领了第一批植物和四足动物从沿海的咸沼泽来到陆地上。
月球不仅仅是一颗无声的光谱卫星;它是一个自成一体的世界，自从人类第一次看到天空，地球上的人就开始使用和思考这个世界。没有月球，地球就不是地球了。海洋、诗歌、宗教、科学、我们每个人都不会。
如果地球独特的过去提供了一个序幕，那么没有卫星的系外行星也可能是不同的。未登陆月球的系外行星可能是没有生命的岩石，几千年来注定会像火星一样倾斜，冻结或沸腾，阻止大气和生命的存在。系外卫星本身，如果它们存在的话，甚至可能比它们所在的行星更适合生命存在。寻找太阳系以外的生命可能需要把重点放在有卫星的行星上，甚至是卫星本身。
尽管惠更斯不可能知道这一点，但他的泰坦，一个橙色的雾球，点缀着甲烷和乙烷河流和湖泊，很像行星。它不适合我们居住，也不适合任何我们认识的生命，但它含有液体和大气层，这意味着它有机会混合各种成分，也有机会孕育生命。土星有着强大的重力和氨云，永远不会是生命的避风港;同样的情况也存在于木星上，它实际上是一颗半恒星，有着荒谬的辐射带和气层，这对我们来说是致命的。但它们的卫星就不是这样了。
“因为我们的太阳系，我们知道木星可以有非常大的卫星，可以有水，”克里斯·福克斯说，他是安大略省西部大学的研究生。“如果木星在其恒星的宜居带，你可以看到一个像地球一样的卫星，月球上可能有生命。考虑到卫星的数量(可能)，也许卫星上的生命比行星上的生命更常见。”
换句话说，系外卫星本身可能适合居住，它们也可能帮助它们的主行星适合居住。找到它们将使我们更深入地了解这些世界以及我们自己的世界。
一个有趣的候选人
早在开普勒望远镜看到第一束光之前，天文学家就怀疑宇宙中充满了世界和它们的卫星。1999年，现在都在巴黎天文台工作的保拉·萨托雷蒂和让·施耐德成为第一个提出用凌日法寻找系外卫星的人。
如果从地球上看，一颗恒星和它的行星排列在一个平面上——就像你从侧面而不是从上到下看太阳系——这颗恒星会出现短暂的暗淡，因为有一颗行星在它前面移动。这种类似日食的正面经过被称为凌日。当凌日有规律地重复发生时，你通常可以确信是一颗环绕地球运行的行星导致了暗化。开普勒望远镜用这种方法寻找行星长达十年之久。萨托雷蒂和施耐德认为，如果在凌日时月球在行星旁边，那么在离主行星很远的地方运行的卫星也可以通过这种方式被探测到。如果月球的轨道距离该行星足够远，主恒星的亮度可能会比平常更暗，甚至可能会暗两倍。如果你在凌日的时候站在行星上，对于相隔甚远的卫星来说，月亮的相位必须接近上弦月或上弦月;满月或新月，当月亮正对着恒星时，不会在行星凌日时产生明显的凹痕。
萨托雷蒂和施耐德认为，即使系外卫星的轨道离它们的主行星很近，使得二次变暗的可能性不大，天文学家仍然可以通过观察行星的重复凌日模式如何随着时间的变化来探测卫星。凌日常以节拍器般的精确重现。但有时它们会有一点偏差，即过境的开始或结束时间比科学家预测的要早或晚一点，这种效应被称为过境时间变化。这是因为其他行星围绕恒星运行并相互拉扯，但当一颗行星有一个大卫星时也会发生这种情况。
要理解其中的原因，我们需要了解月球并没有完全围绕地球运行。相反，两个物体都围绕其相互的质心旋转，称为重心。重心仍然在地球上，因为地球比月球质量更大。(准确地说，重心是定位的在地球位于地幔中，偏离地球的引力中心。)因此，地球在绕太阳公转的时候会轻微地摆动。这种摇晃是萨托雷蒂和施耐德建议寻找的。
2017年，蒂奇和哥伦比亚大学的天文学家大卫·基平(David Kipping)筛选了来自开普勒望远镜的数据，以寻找任何月亮干扰恒星光线的迹象。他们分析了大约300颗行星，希望找到一组卫星。他们只找到了一个候选者:开普勒-1625b。
两人都回忆说，他们申请了使用哈勃太空望远镜的时间，当他们得到这个时间时都很惊讶。然后他们花了一年时间研究哈勃的数据，其中一部分时间用来学习如何使用它们。当基平和提奇完成他们的分析后，他们的哈勃观测显示，这颗行星的凌日开始的时间比它应该开始的时间早，这意味着它旁边有一个卫星。在五年的数据中，这颗行星的凌日时间变化了约20分钟。基平说:“我们知道有什么东西在推动这颗行星，我们认为它是一颗卫星。”
Teachey和Kipping在2018年初将他们的论文发布到预印本服务器上，并最终于2018年10月发表在科学的进步．他们说，有证据支持在开普勒-1625b周围存在一颗海王星大小的卫星，而开普勒-1625b本身的体积是木星的许多倍。基平和提奇没有宣称发现了什么。“我认为人们对我们报道的方式感到沮丧，”蒂奇说。“人们认为我们都在试图为自己的发现邀功，但同时也在掩盖自己的身份，因为我们没有完全宣称自己的发现。我理解人们的挫折感——它是否存在?但还有很多未知的未知。”
在他们最初的声明之后，其他天文学家立即加入了这场争论。René Heller是德国马克斯·普朗克太阳系研究所Göttingen的天文学家，他复制了蒂奇的部分发现，但没有找到足够的证据证明有一颗卫星。研究系外行星大气层的劳拉·克雷德伯格(Laura Kreidberg)无法确认该结果的一个关键部分。克雷德伯格现在是德国海德堡马克斯普朗克天文研究所系外行星大气物理新部门的主任。他回忆说，在他的论文发表几个月后，他和蒂奇进行了一次友好但有些尴尬的对话。“亚历克斯为此付出了很多努力，我不想贬低他所做的一切，”她回忆道。“我带着多年的使用这台仪器的经验一下子就进入了这个领域。我支持亚历克斯。我们都希望月亮在那里。我是说，那该有多酷啊?”
比赛
在基平和蒂奇宣布这一消息后的几个月里，外界对系外行星的关注才有所增加。很快，研究团队开始自己研究开普勒的数据，试图找到可能表明卫星存在的凌日变化。其他人则求助于超大望远镜的光谱偏振高对比度系外行星研究工具(SPHERE)等仪器。塞西莉亚·拉佐尼目前是英国埃克塞特大学的博士后，她声称通过SPHERE调查发现了一颗巨大的系外卫星。发表在天文学和天体物理学她将其描述为一颗质量非常低的褐矮星的伴星，褐矮星是一颗位于行星和恒星之间的暗淡天体，它不融合氢，但体积是木星的许多倍。拉佐尼的世界和它的伴星可能更像双星，而不是一个世界和一个月亮。如果这样的天体很常见，天文学家将不得不努力确定行星和卫星的构成要素。
2019年，英国林肯大学的菲尔·萨顿重新分析了超级土星J1407b。这颗行星和它的光环是由Eric Mamajek和他的几个同事最先发现的，Eric Mamajek现在在美国宇航局喷气推进实验室工作。萨顿想要找到在土星环外运行的卫星的证据，就像土星的大多数卫星一样，所以他开始确定J1407b的37个环是否以同样的方式雕刻。他没有找到任何外部卫星引导环隙的证据，相反，他发现外部卫星很可能会撕裂环盘。萨顿说:“我们都很兴奋，因为我们可能真的发现了一些东西。”但重新分析往往会打消希望。“这真的很难证实。”
然后，在2020年夏天，西方大学的研究生福克斯观察了更多的开普勒数据。他和他的顾问保罗·维格特(Paul Wiegert)仔细研究了开普勒望远镜的13颗行星，发现其中8颗行星的凌日时间变化可以用系外卫星来解释。但是，正如福克斯所指出的，这些变化也可能是其他的东西;可能的范围从恒星活动如耀斑到其他行星。他说:“在许多情况下，我们能够将凌日时间的变化模式与卫星相匹配，但在所有情况下，我们都可以用第二颗行星的存在来解释它们。”
那年夏天，当福克斯把它发布到预印本服务器上时，提奇对这项工作提出了批评，同时也对那些声称福克斯描述的是月亮的报道提出了批评，而实际上他描述的是月亮或行星的场景。蒂奇说，在一个年轻而快速发展的领域，尤其是一个对职业发展有着重大影响的领域，一些成长的烦恼是不可避免的。他说:“我们并没有试图扼杀在月球上工作的人，我们也不想给人留下守门人的印象。”“但与此同时，这也是游戏的一部分。我们将对在我们看来没有证据支持的结论提出质疑。”福克斯的论文发表于2021年皇家天文学会月报．
2020年11月，基平举办了有史以来第一次系外行星会议，这是一场在Zoom上举行的非正式会议，来自世界各地的约80名研究人员聚集在一起。科学家们讨论了新的探测方法、月球和外环形成的理论、对外卫星大小和候选卫星的新限制以及相关主题。基平说:“我认为作为一个社区，我们需要更有组织性一点，才能有更好的机会。”
确定的探测结果仍然难以捉摸，部分原因是天文学家都对他们的望远镜和数据提出了太多要求。行星经过其恒星时产生的微弱的亮度光点，本身就很难看到。与凌日时间的短短几分钟的变化相比——要记住这些天体距离地球数百光年——是一种令人痛苦的精确测量。
克雷德伯格说，她很沮丧，因为她无法弄清楚为什么她和蒂奇不能得到相同的答案，使用相同的哈勃数据。他们分享了彼此的处理方法，她试图复制他的步骤，但无法协调发现。她说:“我唯一的遗憾是我们没能弄清楚其中的区别。”“对我来说，我们真的在挑战哈勃望远镜的极限。它被设计用来观测微弱的遥远星系，而不是附近有卫星的行星。我们正在尽最大努力进行数据处理，但将信号提取出来是一门艺术。”
其他的挑战是几何方面的。由于开普勒定律(也就是发现了行星运动规律的约翰内斯·开普勒，行星探测望远镜就是以他命名的)和牛顿定律，卫星的轨道在与行星的一定距离内更稳定，这一距离被称为希尔半径。一颗行星的轨道离它的恒星越近，恒星的引力就越有可能中断月球的轨道，可能会让月球螺旋进入行星或完全脱离恒星系统。但开普勒、哈勃和其他天文台的数据通常捕捉到的是围绕恒星运行的行星——通常非常近，甚至比水星离太阳还近。虽然这些行星比遥远的行星更容易找到，但它们可能更没有卫星。加州大学河滨分校(University of California, Riverside)的行星天体物理学家斯蒂芬·凯恩(Stephen Kane)说:“如果我们观察的是那些凌日其恒星的行星，我们观察的是那些引力严重减弱、不太可能有卫星的行星。”他在2017年发表了一篇论文，认为紧凑的行星系，比如由7颗类地行星组成的TRAPPIST-1系统，根本不可能有任何卫星。
罗切斯特大学(University of Rochester)的天文学家爱丽丝·奎伦(Alice Quillen)研究过超级土星J1407b，她指出，像木星和土星这样离恒星较远的行星，更有可能拥有卫星。当一颗行星离恒星较远时，恒星就不太可能受到行星引力的影响，从而让一颗卫星保持在原地。如果遥远的系外行星在大小和组成上与太阳系的外部世界相似，它们也可能更容易抓住行星碎屑、偏离轨道的小行星和矮行星。海王星的卫星海卫一被认为是一颗从遥远的柯伊伯带捕获的矮行星，柯伊伯带是一个像冥王星一样的小星球，在太阳系形成后被卷入海王星的怀抱。
但是大型的、遥远的行星是很难找到的，部分原因是它们绕恒星公转的时间很长——木星上的一年，相当于一次凌日，几乎需要地球上的12年，这意味着天文学家要观察这样的行星20多年才能找到明确的信号。它们很难被发现，因为它们可能与其他物体相混淆。恒星恒定光线中的周期性变暗很可能是由间或相互移动的恒星对引起的，也可能是由外行星引起的。“你在太阳系外找不到东西，因为它太容易与日食双星相混淆了，”Quillen说。“你必须花很多时间来处理那些不是你想要的东西。”
恒星本身也会混淆信号。太阳是一颗特别安静的恒星;其他恒星往往更活跃，大量产生耀斑、辐射和发展的斑，这些斑也会影响它们的表观亮度。凯恩说:“测量恒星亮度的麻烦在于，如果你将精度提高太多，就会开始遇到恒星活动。”“恒星会产生与卫星信号相当甚至更大的噪声。它本质上创造了一个你无法超越的天花板，这真的是一个巨大的挑战。”
一些天文学家无畏地转向创造性的数学和观测方法。瑞士伯尔尼大学的讲师阿普瓦·奥扎(Apurva Oza)正在寻找伊奥。用双筒望远镜或普通望远镜都可以看到木星的火山卫星;它是伽利略在1609年观测到的四颗卫星之一。但用灵敏的仪器观察，木卫一是天空中最耀眼的天体之一。它会释放出钠和钾，当木星的引力撕裂内部和木卫一的火山喷发时，它会将大量的钠和钾喷向太空。欧扎说，木卫一的外层可以延伸到木星半径的500倍。更重要的是，无论月球在哪里，它的特征都是可见的;研究凌日行星的天文学家不必担心系外卫星的相位。一颗外行星可能在行星后面，它巨大的等离子体云仍然可以用正确的仪器探测到。 “If you spray that gas everywhere, you just enshroud it, and you’ll see it during transit,” Oza says.
他补充说，一些望远镜上的光谱仪已经可以探测到恒星内部和周围的挥发性气体。一些人已经检测到钠、钾和其他经常无法解释的特征。“缺失的因素可能是一颗卫星，”奥扎说。“当你这样想的时候，它就不显得那么奇怪了。”他指出，外io很难是一个寻找外星生物学的地方，然而:“我们不是在这里寻找宜居性。我们在寻找爆炸环境，这是宇宙的大部分。”
前进的道路
天文学家希望于2021年12月发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜能够更精确地寻找系外卫星。开普勒望远镜的设计目的是在类太阳恒星周围发现地球大小的行星，所以比地球小的物体很难被发现。研究人员经常使用斯皮策太空望远镜，但它在2020年1月退役。目前，在地球上或天空中，没有多少其他地方能找到系外卫星，所以天文学家依靠更好的数据处理方法，并准备好等待。
蒂奇说:“我们的部分工作仍然不只是寻找这些东西，而是想出更好的方法来寻找它们。”“人们认为发现是灵光一现的时刻。这更像是，‘让我们看看它是否会失败。这个测试。’然后你就会说，‘好吧，它还撑得住。’”
在智利阿塔卡马沙漠(Atacama Desert)正在建设的超大望远镜(Extremely Large Telescope)等地面天文台也可以在适当的情况下发现系外卫星。欧洲将于2026年发射的行星凌日和恒星振荡太空望远镜(PLATO)也可以帮助搜索工作。在更遥远的未来，像大型紫外/光学/红外探测器(LUVOIR)这样的卫星——可能在本世纪30年代中期的某个时候发射——可以提供出色的探测系外卫星的能力。但所有这些项目仍需数年时间。
基平说，在詹姆斯·韦伯开始研究之前，“对于系外卫星来说，现在就像哈勃望远镜一样。”与此同时，他希望迅速发展的系外行星社区能够继续找出新的策略来处理目前存在的数据。克雷德伯格也希望詹姆斯·韦伯能找到系外卫星信号，但他承认，最终的发现可能还需要一段时间。
Kreidberg说:“这是前沿技术。“弄清楚我们知道什么，以及我们知道多少，是一个不断发展的过程。要研究系外行星，你必须是一个乐观主义者。”也许,系外卫星。
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