“苔丝”发现的第一个环双星行星，这名高中生功不可没

这是一张艺术插图，显示了TOI 1338系统中的两颗恒星在我们的视平面内彼此环绕运行，构成了一个食双星系统。假想自己身处TOI 1338 b行星上，你就能每15天看到一次“日食”。
图片来源：NASA戈达德航天飞行中心/高校空间研究协会（Universities Space Research Association，USRA）的克里斯•史密斯（Chris Smith）

2019年夏天，沃尔夫•库基尔（Wolf Cukier）在纽约斯卡斯代尔高中（Scarsdale High School）完成了他的高三学习后，以暑期实习生的身份加入了美国航空航天局（NASA）位于马里兰州格林贝尔特的戈达德航天飞行中心（Goddard Space Flight Center）。实习期间，他的工作是查看NASA的系外行星凌星巡天卫星“苔丝”（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）拍下的恒星亮度变化数据，并将排查后的结果上传至“行星猎人苔丝”（Planet Hunters TESS）公民科学项目中。

“我一直在查看所有被志愿者标记成食双星（eclipsing binary）的数据，在食双星这种特殊的系统中，两颗恒星互相环绕运行，并且从我们的角度来看两者的轨道都会使彼此相食。”库基尔说道，“实习了大约三天之后，我观察到了一个名为TOI 1338的系统的亮度变化信号。起初，我以为这是一次恒星相食，但发现时机不对，后来才查出是有一颗行星存在。”

借助NASA的系外行星凌星巡天卫星“苔丝”的数据，研究人员发现了该任务的第一个环双星行星，即环绕双星运转的行星。这颗行星被命名为TOI 1338 b，体积大约比地球大6.9倍，也就是大小介于海王星和土星之间。它位于绘架座方向距离地球1300光年的一个双星系统中，系统中的两颗恒星伴星在我们的视平面内相互环绕运行，形成了食双星，其中一颗恒星的质量大约比我们的太阳重10％，而另一颗恒星则温度更低、亮度更暗，质量也只有太阳的三分之一。TOI 1338 b的公转时间并非恒定不变，由93天至95天不等（由于系统中恒星的轨道运动，它公转的程度和持续时间一直在变化）。“苔丝”只能观察到TOI 1338 b运行到较大恒星前方时产生的亮度的变化，对于较小恒星的凌星现象则因过于微弱而无法检测到。至少在未来一千万年内，TOI 1338 b的公转轨道都是稳定的，但是，公转轨道与我们视平面的夹角会有很大的变化，以至于2023年11月之后，在我们看来TOI 1338 b行星的凌星现象将会停止，然后在8年后也就是2031年恢复。
视频来源：NASA戈达德航天飞行中心

这颗特别的行星如今被命名为TOI 1338 b（TOI意为“苔丝”感兴趣的对象，即TESS Object of Interest），是“苔丝”发现的第一个环双星行星（circumbinary planet），即一个绕两颗恒星公转的世界。1月6日星期一，在夏威夷火奴鲁鲁举行的美国天文学会（American Astronomical Society，AAS）第235次会议上，天文学家聚在一起共同探讨这项新的发现。库基尔作为共同作者，与来自戈达德航天飞行中心、圣地亚哥州立大学（San Diego State University）、芝加哥大学（University of Chicago）以及其他机构的科学家合作完成的一篇论文已向学术期刊投稿。

TOI 1338系统位于绘架座（Pictor）中，距离地球大约1300光年。系统中两颗恒星互为绕转运行的周期为15天。其中较大的那额恒星质量大约比我们的太阳大10％，而另一颗恒星则温度更低、亮度更暗，质量也只有太阳的三分之一。

TOI 1338 b是系统中唯一已知的行星，体积大约比地球大6.9倍，也就是大小介于海王星和土星之间。TOI 1338 b在与两颗恒星几乎在完全相同的平面内运行，因此会经历规律性的的恒星食。

“苔丝”载有四台相机，每台相机每隔30分钟就会拍摄天空中一片特定区域的全帧图像，一直持续拍摄27天；利用这些观测所得的结果，科学家得出了恒星亮度随时间变化的曲线图。从我们地球的角度来看，当一颗行星运行绕过恒星前方时，也就是发生了所谓的凌星（transit）现象，星体的阻挡会导致恒星亮度的明显下降。

但是，相比只绕一颗恒星运行的行星，绕着两颗恒星运行时的凌星现象更难被检测到。TOI 1338 b的公转时间并非恒定不变，由93天至95天不等（由于系统中恒星的轨道运动，它公转的程度和持续时间一直在变化）。“苔丝”只能观察到TOI 1338 b运行到较大恒星前方时产生的亮度的变化，对于较小恒星的凌星现象则因过于微弱而无法检测到。

“这些信号类型对于算法而言是非常棘手的，”论文的主要作者维斯林•科斯托夫（Veselin Kostov）说道，“但是人眼则非常擅长查找这种数据模式，尤其是非周期性的模式，例如我们从这些系统的凌星现象中看到的模式。”科斯托夫是地外文明探索研究所（Search for ExtraTerrestrial Intelligence Institute，SETI Institute）和戈达德航天飞行中心的一名研究科学家。

这就解释了为什么库基尔必须“亲眼”检查每个可能存在的凌星。例如，他最初认为TOI 1338 b的凌星是系统中较小恒星运行通过较大恒星前方的结果，毕竟这两种情况都会导致相似的恒星亮度下降；但是，对于双星系统应该有的相食来说，亮度下降的时机并不合理。

在辨认出TOI 1338 b之后，研究团队使用了一个名为“埃莉诺”（eleanor）的软件包，来确认这些凌星现象是真实存在的，而非人工制造的器件导致的。埃莉诺软件包的命名来自埃莉诺•爱罗薇（Eleanor Arroway）的名字，她是著名的美国天文学家、天体物理学家、宇宙学家、科幻作家卡尔•萨根（Carl Sagan）唯一的长篇科幻小说《接触》（Contact）里的核心主角，这部科幻小说后来被拍成了一部悬疑科幻片，名为《超时空接触》（Contact）。

“通过所有拍摄到的图像，‘苔丝’正监控着上百万颗恒星，”论文的共同作者、芝加哥大学的研究生阿迪娜•费恩斯坦（Adina Feinstein）说道，“这就是我们团队创建埃莉诺软件包的原因，它是一种对凌星数据进行下载、分析和可视化便捷方式。在设计之初，我们着眼的对象只是行星，但团队里的其他成员也用它来研究恒星、小行星甚至是星系。”（你可以在https://adina.feinste.in/eleanor/ 找到埃莉诺软件包的下载和使用指南）

研究人员早已从地面上利用径向速度测量对TOI 1338系统进行了研究，这种测量方式可以测出系统沿我们视线方向的运动数据。借助这些已有的档案数据，科斯托夫的团队对TOI 1338系统进行了分析，并最终确认了行星的存在，并且得出结论：至少在未来一千万年内，TOI 1338 b的公转轨道都是稳定的，但是，公转轨道与我们视平面的夹角会有很大的变化，以至于2023年11月之后，在我们看来TOI 1338 b行星的凌星现象将会停止，然后在8年后也就是2031年恢复。

此前，NASA的开普勒太空望远镜（Kepler Mission）和K2任务就在10个系统中发现了12个环双星行星，都类似于TOI 1338 b。科斯托夫表示，对双星系统的观测总是更容易找到体积更大的行星，因为较小星体的凌星对恒星亮度的影响不会很大。研究人员预计，在最初两年的任务中，“苔丝”将观测到成千上万的食双星系统，也就意味着更多像这样的环双星行星将会被发现。

“苔丝” 是NASA天体物理学探索者计划（Astrophysics Explorer）中的一项任务，由位于马萨诸塞州剑桥市的麻省理工学院（MIT）领导和运行，由NASA戈达德航天飞行中心管理。其他合作伙伴包括位于弗吉尼亚州福尔斯彻奇的诺斯洛普•格鲁门公司（Northrop Grumman）、NASA位于加州硅谷的艾姆斯研究中心（Ames Research Center）、位于马萨诸塞州剑桥市的哈佛 – 史密森天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）、麻省理工学院林肯实验室（Lincoln Laboratory），以及位于巴尔的摩的空间望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute），来自全世界的十几所大学、研究所和观察站参与了这项任务。

参考来源：
https://exoplanets.nasa.gov/news/1619/discovery-alert-high-school-student-finds-a-world-with-two-suns/