[비즈한국] 詹姆斯·卡梅隆的《阿凡達》系列電影即將推出新作。如果說上一部講述的是水的世界，那麼這一次據說將呈現火與灰的世界。電影《阿凡達》的主舞臺是外星行星“潘多拉”。許多觀眾認為潘多拉僅僅是一顆外星行星，但事實並非如此。潘多拉是一顆圍繞著名為“波呂斐摩斯”（Polyphemus）的巨大氣態巨行星運轉的衛星！在距離太陽系最近的4.2光年外的比鄰星（Proxima Centauri）旁，存在著波呂斐摩斯行星，而潘多拉正是繞其旋轉的衛星。最近，為了將電影中的情節變為現實，一項有趣的實驗正在展開，人們提出了尋找現實版潘多拉的具體計劃。
將外星衛星而非外星行星作為主要舞臺的設定非常引人入勝。因為天文學家們現在也開始思考，在圍繞巨大氣態行星運轉的衛星上是否存在生命的可能性。太陽系的行星雖然只有八顆，但環繞它們的衛星數量超過400顆。其中，像木星的歐羅巴、木衛三，以及土星的土衛二、土衛六等，都擁有地底海洋甚至大氣層，是非常令人驚歎的場所。隨著對外星衛星視角的變化，外星生命存在的可能性也在增加。
最近逐漸顯露真容的“現實版潘多拉”向我們展示了一個有趣的可能：無需尋找太遠，或許就在太陽系的“鄰居”家中就可能存在生命。
到目前為止，我們已經發現了近6000顆，甚至多達上萬顆外星行星。理所當然，它們周圍應該存在更多的外星衛星。既然如此，我們不僅要關注行星，是否也應該仔細觀察外星衛星呢？但這並不簡單。衛星相比行星體積太小。太陽系中最大的衛星木衛三，其大小僅相當於水星。因此，通常用於搜尋外星行星的方法直接套用到尋找外星衛星上會很困難。
尋找外星行星的常用方法如下：利用行星從恆星前方經過時遮擋星光導致亮度變暗的“凌日法”；利用沉重行星的引力導致恆星出現輕微晃動的“徑向速度法”；或是利用行星自身引力使周邊時空產生微小彎曲的“微引力透鏡法”。然而，對於體型微小的外星衛星來說，上述三種方法都很難捕捉到明顯的痕跡。我們需要探測到因某種圍繞物體執行的星體而導致的恆星變化，但外星衛星相對於恆星來說實在太小了。外星衛星在恆星周圍的微小移動，很難引起恆星表面可見的變化。
因此，天文學家們將目光投向了體量相當的外星行星的變化。雖然外星衛星很難對中心恆星比鄰星造成顯著影響，但卻可能對旁邊的行星產生影響。恰巧，比鄰星周圍正執行著一顆巨大的氣態行星。如果那裡真的有衛星，我們需要觀測幾年才能確認其存在呢？
天文學家們設定了一顆質量約為地球30倍的巨大衛星進行模擬。結果顯示，圍繞比鄰星旋轉的行星軌道產生了輕微的搖晃。剔除行星自身的軌道成分，就可以提取出純粹由周邊衛星引起的引力攝動效果。當然，質量達到地球30倍的衛星並非我們所預期的常規衛星，這個級別已經等同於一顆大行星了。因此，天文學家們又設定了更現實的衛星質量進行了更多實驗。
假設的衛星質量越輕，觀測到的行星軌道扭曲程度就越微弱。因此，僅靠1到2年的觀測很難做出有意義的判斷。即使軌道出現輕微扭曲，也很難區分這到底是由於軌道攝動，還是普通的觀測噪聲。於是，天文學家們設定了虛擬的觀測環境，計算出要判定衛星的存在需要多長時間的觀測，以及需要多強大的望遠鏡。
他們假設了更具現實意義、質量為地球一半到10%的小型衛星。結果發現，要從統計學上判斷該衛星的存在，至少需要5年的連續觀測以積累充足的資料。在假設週期為4天到30天的各類衛星情況下，均能識別出衛星的存在及其軌道。這種分析天體在夜空中呈現的微小運動變化的方法被稱為“天體測量學”（astrometry）。
根據模擬，利用這種天體測量學方法，能在比鄰星旁的外星行星周圍發現的外星衛星，其質量至少要超過地球質量的20%。如果比這更輕，無論觀測多久都很難做出有效判斷。當然，即便只是這個質量，也比我們地球質量僅1%的月球要重得多。
但這其中還隱藏著另一個陷阱。要透過這種方式發現外星衛星，必須在5年內每小時觀測一次。如果觀測頻率更低，則需要更長時間才能積累有意義的資料。也就是說，這需要一臺專門用於該目標的望遠鏡，在5年內始終盯著那顆星和那顆行星。比鄰星是我們太陽系最近的地方，也是人類不久後計劃派遣探測器進行實地拍攝的地方，更是電影《阿凡達》的主舞臺，讓許多科幻迷心潮澎湃。即便如此，它是否值得我們投入大型望遠鏡的全部時間？這是否是一次有價值的嘗試呢？
如果使用更大的望遠鏡，情況可能會好一些。目前歐洲正在建造直徑達39米的歐洲極大望遠鏡（E-ELT）。此外，專門為了尋找外星行星及生命痕跡、直徑為6到8米的“宜居世界天文臺”（HWO）空間望遠鏡也正在加緊製造中。如果是這樣的望遠鏡，即便每天觀測一次，5年內也能積累足以判斷周邊是否存在外星衛星的有意義資料。當然，即便只是這種頻率，也意味著望遠鏡對特定天體有所“偏愛”。
最近，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡將目標瞄準了與比鄰星組成三合星系統的半人馬座α星，併成功拍攝到了外星行星的照片！遺憾的是，這顆行星存在生命的可能性更低了，因為它看起來是一顆氣態行星，而非岩石行星。當然，如果它周圍還有其他的冰凍衛星，現在就放棄希望還為時過早。但在探討外星衛星的生命可能性之前，或許我們應該先確認一下我們居住的太陽系中其他行星的衛星是否存在生命。
比鄰星，因為它距離我們最近，所以最受青睞，也是想象力馳騁最多的舞臺。這裡真的值得我們投入如此多的時間和精力嗎？它有那麼大的價值嗎？那裡是否真的隱藏著行星之外的衛星呢？
不久前，我們抬頭仰望夜空時還只能想象恆星，但現在我們已經可以想象那顆恆星旁邊存在的無數行星了。不久之後，我們還將想象環繞它們旋轉的更多數量的衛星。呈現在眼前的宇宙景觀雖然沒有改變，但我們感受到的宇宙正變得越來越熱鬧、越來越擁擠。
參考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae0741
作者池雄培（Ji Woong-bae）是誰？他熱愛貓與宇宙。童年時期在看了《銀河鐵道999》後，立志要將宇宙的美麗傳播給大眾。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，進行講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《每天一片宇宙》、《星光熠熠的宇宙科學家們》、《雖無法到達卻能瞭解》、《看到宇宙時浮現的奇怪問題》等書籍，並翻譯了《給真正宇宙旅行者的指南》、《我是如何殺掉冥王星的》、《量子人生》、《Cosmigraphics》等作品。