“開普勒”踏上尋親之旅

蔡如鵬

“開普勒”出發(fā)尋找另一顆地球，無論它發(fā)現(xiàn)了什么，都將會(huì)使太陽(yáng)系外行星探測(cè)進(jìn)入一個(gè)新紀(jì)元

400年前，開普勒因提出行星運(yùn)動(dòng)定律而開創(chuàng)天文學(xué)新局面。現(xiàn)在，一架以這位德國(guó)天文學(xué)家名字命名的太空望遠(yuǎn)鏡又被天文學(xué)家們寄予了新的希望。

3月6日夜，“開普勒”太空望遠(yuǎn)鏡在美國(guó)卡納維拉爾角空軍基地被送入太空，用以搜尋太陽(yáng)系外與地球相似的行星。

搜尋外星人的家

類地行星指的是大小與地球相接近的行星，被認(rèn)為是宇宙中最有可能存在生命的地方，因而在天文學(xué)研究中一直占有舉足輕重的位置。此前，通過地面望遠(yuǎn)鏡和其他太空探測(cè)器，天文學(xué)家已經(jīng)在太陽(yáng)系外發(fā)現(xiàn)了340多顆行星(包括幾顆類地行星)，但它們表面的溫度都太高，并不適合生命生存。

“開普勒”的優(yōu)勢(shì)在于，它所攜帶的設(shè)備十分靈敏，能夠檢測(cè)到更小、更冷、更適宜生命生存的類地行星。

作為世界上第一個(gè)專門用來尋找類地行星的航天器，“開普勒”攜帶了一架直徑95厘米的望遠(yuǎn)鏡，其核心是一個(gè)9500萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)。在漆黑的太空中，它可以觀測(cè)到地球上一盞普通燈的熄滅。

適合生物生存的類地行星必須與恒星保持適當(dāng)?shù)木嚯x，不能太近，也不能太遠(yuǎn)。只有這樣溫度才不會(huì)太高而把水燒開，也不會(huì)因?yàn)闇囟忍投兂梢粋€(gè)冰封的世界。

“如果有許多類地行星存在，那么就可能會(huì)有許多生命。”這項(xiàng)研究的首席科學(xué)家、美國(guó)航天局艾姆斯研究中心的威廉?博勒茨基說，“我們不是找外星人，而是找外星人的家?！?/p>

這位天文學(xué)家同時(shí)強(qiáng)調(diào)，“開普勒”的重點(diǎn)不在于找到任何特定行星，而是看看宇宙中類地行星到底有多罕見。

據(jù)悉，未來3至4年，這架耗資接近6億美元的太空望遠(yuǎn)鏡，將對(duì)銀河系天鵝星座與天琴星座的一小塊天區(qū)，進(jìn)行“不眨眼”的持續(xù)觀察，所監(jiān)測(cè)的恒星數(shù)量將超過10萬(wàn)個(gè)。

這些恒星雖然全在地球幾百光年之外，但均位于天空中的同一方向。美國(guó)華盛頓卡內(nèi)基研究院參與這一研究的天文學(xué)家艾倫?博斯說：“這就像你打算研究一座城市，要先調(diào)查它的一片街區(qū)一樣。‘開普勒將告訴我們，必須搜查多少間‘房子，才能找到人類的鄰居?！?/p>

觀察燈塔邊的螢火蟲

搜尋太陽(yáng)系外的行星并不是一件容易的事情。

其中，最大障礙是恒星會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的光芒，掩蓋了行星的存在。北京大學(xué)物理學(xué)院天體物理學(xué)家劉曉為對(duì)《中國(guó)新聞周刊》打比方說：“這就好比幾十公里外有一盞耀眼的燈塔，你要在它附近找螢火蟲，非常困難?！?/p>

因此，直到1995年，天文學(xué)家才發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽(yáng)系外的行星。

事實(shí)上，這顆行星并不是天文學(xué)家直接“觀察”到的，而是利用“視向速度法”間接證實(shí)了它的存在。

由于引力作用，行星會(huì)對(duì)母恒星的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，使其出現(xiàn)周期性的輕微擺動(dòng)。這種細(xì)微變化能夠在恒星的視向速度(天體沿觀測(cè)者視線方向單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離)中得到準(zhǔn)確的反映。因此，通過測(cè)算恒星的視向速度，就可以間接地尋找它附近的行星。

目前已發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系外行星，絕大多數(shù)都是通過“視向速度法”找到的。但這種方法只適合“觀察”質(zhì)量較大、距離恒星很近的行星(這類行星由于大小類似于木星，因此也被稱為“熱木星”)，而對(duì)更小的類地行星，這種方法無能為力。

劉曉為告訴《中國(guó)新聞周刊》：“木星對(duì)太陽(yáng)視向速度的影響大概是10米每秒，而地球只有零點(diǎn)幾米每秒，很難觀測(cè)。”因此，視向速度法不適合尋找類地行星。

“開普勒”則是通過跟蹤“凌日”現(xiàn)象來尋找那些“失落的世界”。

“凌日”是指當(dāng)行星位于恒星和觀測(cè)者之間時(shí)，出現(xiàn)的一種天文現(xiàn)象。比如在地球上可以觀測(cè)到水星凌日或金星凌日，這時(shí)人們看到太陽(yáng)表面上仿佛有個(gè)小黑點(diǎn)在緩緩移動(dòng)。同樣，觀測(cè)其他恒星系統(tǒng)也有可能看到類似的凌日現(xiàn)象，從而證實(shí)行星的存在。

事實(shí)上，2006年12月歐洲發(fā)射的“科羅”天文望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)通過“凌日”現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止最小的類地行星。不過，這顆大小相當(dāng)于地球兩倍的行星溫度極高，無法滿足生命存在的基本條件。

與圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的“科羅”不同，“開普勒”將會(huì)在遠(yuǎn)離地球的軌道上繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，以避免地球?qū)ζ溆^測(cè)的干擾。

同時(shí)，這也可以使“開普勒”能夠在3年半的時(shí)間里不間斷地觀測(cè)同一片天區(qū)，而“科羅”由于地球的阻擋，對(duì)同一片天區(qū)的最長(zhǎng)連續(xù)觀測(cè)時(shí)間只有5個(gè)月。

如果一顆類地行星的公轉(zhuǎn)周期也是1年，而它恰巧又位于“開普勒”的視場(chǎng)之內(nèi)，那就意味著它將有3次“凌日”現(xiàn)象被記錄下來。

艾倫?博斯說，當(dāng)你第一次觀察到恒星亮度“變暗”時(shí)，不能說明任何問題。只有觀測(cè)到第二次“變暗”，你才能說這可能是“凌日”現(xiàn)象，不過這仍無法確定，你還需要等待下一次“變暗”。如果第三次“變暗”如期而至，基本就可以斷定這是一顆行星了，不過出于謹(jǐn)慎，你還應(yīng)該繼續(xù)等待第四次“變暗”的出現(xiàn)，“而這些都需要持續(xù)不間斷地長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，才能排除諸如恒星亮度自身漲落等因素的干擾”。

另外，“開普勒”具有非常廣闊的觀測(cè)視場(chǎng)范圍，至少能覆蓋10萬(wàn)顆恒星，“足以構(gòu)成一個(gè)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的樣本”，博斯說。事實(shí)上，這也是不使用“哈勃”望遠(yuǎn)鏡的原因——它的視場(chǎng)太小。

成功需要運(yùn)氣

“開普勒”最終能發(fā)現(xiàn)多少顆類地行星，現(xiàn)在沒人說得清楚。

不過，天文學(xué)家一般從理論上推測(cè)認(rèn)為，類地行星相當(dāng)普遍。博斯說，恒星在形成的時(shí)候，大量殘留下來的物質(zhì)會(huì)在其周圍形成一個(gè)“盤”，逐漸演化成行星系統(tǒng)，“要讓類地行星無法形成，實(shí)際上反而會(huì)比較困難”。

與此同時(shí)，天文學(xué)家說，類地行星要比“熱木星”更容易形成。此前觀測(cè)到擁有“熱木星”的恒星，在所有恒星中所占比例至少有10%，甚至可以達(dá)到20%。因此，他們認(rèn)為，類地行星的存在應(yīng)該更加普遍才對(duì)。

“由于觀測(cè)手段及精度的限制，現(xiàn)在還無法準(zhǔn)確估計(jì)宇宙中類地行星存在的數(shù)目，但粗略估計(jì)，銀河系中可能存在上億顆類地行星?！眹?guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)趙剛對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說，“如果銀河系的觀測(cè)結(jié)果可以推及到其他星系，那么宇宙中的類地行星數(shù)目將是一個(gè)非常巨大的天文數(shù)字。”

趙剛曾于2009年1月借助視向速度法發(fā)現(xiàn)了一顆太陽(yáng)系外行星。這也是中國(guó)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一顆太陽(yáng)系外行星。他說，如果“開普勒”的探測(cè)獲得成功，人們對(duì)類地行星的認(rèn)識(shí)將有質(zhì)的飛躍。

不過，“開普勒”的成功或許還需要一些運(yùn)氣。

博斯說，如果假設(shè)每顆恒星都有一顆類地行星，而在1000顆類地行星中有一顆被觀測(cè)到，那么“開普勒”就能“看”到大約100顆類地行星。

“不過假如我們錯(cuò)了，比如說，每100顆恒星才有一顆類地行星，那么‘開普勒就只能找到一顆。如果運(yùn)氣不好，甚至連一顆也找不到。如果每1000顆恒星中才有一顆恒星擁有類地行星，那發(fā)現(xiàn)它們真的需要運(yùn)氣?！辈┧拐f。

博勒茨基說，如果找到了數(shù)量可觀的類地行星，那么未來15年，必定將掀起一股研究這些行星的熱潮，比如仔細(xì)地探索上面是否有氧以及其他和生命有關(guān)的證據(jù)。

不過，“開普勒”找到的結(jié)果也有可能走向另一個(gè)極端。如果最終發(fā)現(xiàn)的類地行星非常罕見，那將意味著地球可能的確非常稀罕，是宇宙中的一個(gè)特例，而要探測(cè)更遙遠(yuǎn)類地行星的計(jì)劃，不但在技術(shù)上還存在很大的障礙，而且也需要花很長(zhǎng)的時(shí)間。

無論“開普勒”發(fā)現(xiàn)了什么，都將會(huì)使得太陽(yáng)系外行星探測(cè)進(jìn)入一個(gè)新紀(jì)元。