從開普勒到“開普勒”

□ 謝 懿/編譯

約翰內(nèi)斯·開普勒肖像

約翰內(nèi)斯·開普勒破解了太陽系中行星的運動?，F(xiàn)在以他名字命名的一個探測器則正在搜尋其他的行星系統(tǒng)。

2009年3月6日，一枚聯(lián)合發(fā)射同盟公司的德爾它Ⅱ型火箭從美國佛羅里達州的卡納維拉爾角呼嘯著直插夜空。它上面攜帶了一個不大不小的載荷，從技術上講是一架1米的施密特望遠鏡和42個電荷耦合器件（CCD）——開普勒空間望遠鏡（下文簡稱“開普勒”）。它將要探測的東西十分簡單：恒星亮度隨時間的變化。

為什么要造一個空間探測器來做這樣一件事情呢？因為也許，僅僅是也許，這些亮度變化可以幫助我們找到另外一些和地球類似的行星。

到2009年夏，也就是在約翰內(nèi)斯·開普勒（Johannes Kepler）解開了行星運動謎題之后差不多4個世紀，“開普勒”發(fā)現(xiàn)了5顆新的行星。雖然它們都是“熱類木星”——極為靠近其宿主恒星的氣態(tài)巨行星，但在揭示行星系統(tǒng)本質(zhì)的道路上“開普勒”無疑向前邁出了一步。

舉步維艱

1984年當用測光的方法來探測外星類地行星的想法出現(xiàn)在“開普勒”首席科學家比爾·博魯茨基（Bill Borucki）的腦子里時，那時距離第一顆外星行星的發(fā)現(xiàn)還有8年的時間。和通過光譜來尋找外星行星的方法——探測由于繞轉(zhuǎn)行星對其宿主恒星的來回推拉所造成的恒星光譜中譜線的微小移動——不同，外星行星測光搜尋背后的想法則更為基本。非常簡單，當一顆行星從恒星的前方經(jīng)過的時候，恒星由于被遮擋亮度就會減弱。行星越大，恒星光變曲線中的亮度跌幅也就越大。

但是博魯茨基的構想需要一只眼睛——極為靈敏的眼睛。有人笑著告訴他，他完全是個瘋子。在當時，測光還無法做到能分辨出亮度1/10,000的下降，而這正是探測類太陽恒星周圍地球大小行星所必須的靈敏度。技術上的困難令許多人對這個項目表示嚴重的質(zhì)疑。不過，博魯茨基卻并沒有對此喪失信心。

由于博魯茨基非常堅定，他一個一個地解決了阻擋在他面前的所有問題。但這并不容易，而且過程也極為漫長。解決這些問題最終涉及到了8個研究機構和30多名科學家、軟件工程師和儀表工程師超過100萬個小時的勞動時間。

到1992年，“開普勒”的基本架構已具雛形。就在那個時候，“開普勒”團隊決定嘗試使用CCD探測器，選擇日心軌道，采用德爾它Ⅱ型火箭，決定不用機械快門，選定視場的大致位置，開始和鮑爾宇航公司合作。

即便如此，美國航宇局（NASA）把“開普勒”選為“發(fā)現(xiàn)計劃”項目仍還需要10年的時間，到那時它才能加入像“星塵”、“信使”、“深度撞擊”和“火星探路者”這樣耳熟能詳?shù)奶綔y器行列。在1996年和1998年，NASA兩次拒絕了為“開普勒”提供資金，當時它的名字叫“地球大小內(nèi)行星頻率”（FRESIP）。與此同時，天文學界的許多人也對這個計劃搜尋外星類地行星的雄心壯志進行了嚴厲地批評，認為食雙星、恒星黑子甚至是儀器和數(shù)據(jù)分析中的瑕疵都會掩蓋掉真正要尋找的目標。

整個過程反反復復。即使2001年12月21日NASA宣布“開普勒”被選中了，“煮熟的鴨子也會飛了”的感覺依然經(jīng)久不散。到2003年前后“開普勒”團隊才有了些踏實感，從那時起他們開始獲得了探測器的硬件設備。

不屈不撓

約翰內(nèi)斯·開普勒小時候便對宇宙著了迷。1577年在他5歲時，他母親指給他看了當年出現(xiàn)的一顆彗星。8歲時，他父親帶他到戶外去看了一次月食。之后，他發(fā)現(xiàn)自己常常陷入長時間地思考：哥白尼關于宇宙的想法是正確的嗎？從月亮上會看到什么？

即便在進入德國蒂賓根大學的神學院之前，開普勒就顯露出了他在天文學和幾何學上的驚人才華，不過他仍然覺得神在召喚他。如果不是他年輕的外表，從神學院畢業(yè)后他也許可以直接成為神職人員。1594年，開普勒前往了奧地利的格拉茨，當了一名數(shù)學老師。

太空中的“開普勒”（藝術構想圖）

“開普勒”首批發(fā)現(xiàn)的5顆外星行星的凌星光變曲線

“開普勒”所發(fā)現(xiàn)的包含有6顆行星的一個行星系統(tǒng)開普勒-11（藝術構想圖）

據(jù)大家所說，開普勒決不是一個好老師，到他教課的第二個學期教室里就已經(jīng)空無一人了。在他本該用來批改作業(yè)的時間里，開普勒用探索宇宙的奧秘來打發(fā)時間。他企圖用一組正多面體——正四面體、正立方體、正八面體、正十二面體和正二十面體——來描述太陽系行星的軌道，但最終沒有成功。

不過有關行星軌道的問題卻一直縈繞在他心頭。在它們的位置和運動背后肯定存在著什么重要的東西，但究竟是什么呢？開普勒把這些疑問寫進了他的書里。為了解決這些問題，他需要過硬的數(shù)據(jù)，而丹麥天文學家第谷手上則積累了很多這樣的數(shù)據(jù)。開普勒很幸運，第谷是少數(shù)讀過他書的人。他立馬意識到，開普勒的數(shù)學才能將會非常有用。因此，歷史上最重要且跌宕起伏的科學合作之一開始了。

1600年，第谷的肉眼觀測數(shù)據(jù)絕對是最頂尖的。他多年來精確測量了月亮、行星和恒星的位置，想以此來證明他自己所提出的混合宇宙論：水星、金星、火星、木星和土星繞太陽轉(zhuǎn)動，然后太陽帶著這些行星再繞靜止的地球轉(zhuǎn)動。第谷的問題是他缺乏讓他的觀測結果和數(shù)學模型相符的技巧。于是他在1600年招募了數(shù)學天才開普勒，后者欣然接受了這個可以使用第谷數(shù)據(jù)的機會，不過對第谷的宇宙論他一直沒怎么看上眼。

第谷決定讓開普勒先從最棘手的火星開始。過于自信的開普勒聲稱，他可以在8天的時間里解決這個問題。但第谷并沒有等到問題得解的這一天，1601年他便去世了。在歷經(jīng)了艱難困苦的5年計算之后，開普勒終于發(fā)現(xiàn)了他的三定律中的前兩條：行星以橢圓軌道繞太陽轉(zhuǎn)動且太陽位于橢圓的一個焦點；在相等時間里太陽和行星的連線所掃過的面積相等。之后在1618年他又確定出了行星軌道周期和它到太陽平均距離之間的關系——第三定律。

總而言之，開普勒經(jīng)過了近17年的奮斗才得出了這三條如今每個學習天文學的學生都會被要求牢記的定律，這期間充滿了繁雜的計算、政治的動蕩、令人絕望的個人悲?。ㄆ渲邪?611年天花奪去了他年僅6歲兒子的生命）、第谷死后對其數(shù)據(jù)的法律爭奪以及尋求資助等等。

謹小慎微

即便在綠燈亮起之后，“開普勒”依然經(jīng)歷了起起落落。最大的問題是資金。成本超支致使“開普勒”的天線被重新設計并削減了對探測器電子設備的測試。此外，多年前星震學（通過觀測恒星脈動來研究其內(nèi)部結構）也被從受資助的項目中剔除了，這迫使“開普勒”科學家尋求美國航宇局之外的資金支持。從2001年獲得批準到2009年發(fā)射“開普勒”面對了許多挑戰(zhàn)。幸運的是，它的團隊最終克服了其中的每一個。

在開普勒提出他的行星運動第三定律之后391年，“開普勒”矗立在了發(fā)射平臺上?！伴_普勒”的科學家都很清醒，知道這是什么事情都會發(fā)生的時刻。他們所有的希望和夢想都依賴這枚火箭。幸運的是，“開普勒”的發(fā)射很完美。但它還不能高枕無憂。在一個月的時間里，它會越來越遠地滑向地球的后方，此時它唯一的數(shù)據(jù)會被用來確定其儀器自身的噪音。

到2009年4月7日，科學家們終于讓自己松了口氣。那時“開普勒”已經(jīng)位于地球后方超過300萬千米的地方，成功地去除了它的防塵罩并拍攝了第一幅圖像，一切都運轉(zhuǎn)良好。不到一個月之后，“開普勒”對53,000顆恒星進行了為期10天的觀測。

這一觀測是正式科學運轉(zhuǎn)的嘗試，后者同時觀測的恒星數(shù)會達到170,000顆。但即便是這最初10天的數(shù)據(jù)，天文學家也發(fā)現(xiàn)了5顆新的熱類木星。

“開普勒”2011年2月公布的已經(jīng)得到確認的外星行星，這里把它們的大小和地球以及木星進行了對比

放眼未來

看到第一批數(shù)據(jù)時，科學家們非常激動。因為你甚至不用真正地去處理數(shù)據(jù)就能看到外星行星的信號。

但搜尋靠近其他恒星的巨行星并不是“開普勒”的重點。畢竟，地面望遠鏡在十多年前就已經(jīng)做到了這一點。“開普勒”需要證實的是它可以探測到由外星類地行星所造成的其宿主恒星亮度1/10,000的下降。有意思的是，“開普勒”對熱類木星的觀測有助于證明這一點。

通過對已知的一顆外星巨行星HATP-7b宿主恒星的光變曲線的分析，“開普勒”團隊也發(fā)現(xiàn)了這個目標。隨著HAT-P-7b圍繞其宿主恒星的轉(zhuǎn)動，它的凌星產(chǎn)生了如預期的亮度大幅下降。在半個軌道周期之后，它又被其宿主恒星遮擋，產(chǎn)生了又一次幅度要小得多的亮度下降。

導致這一“二次掩食”的原理很簡單。被恒星照亮的熱類木星表面可以達到2,500℃的高溫，能夠發(fā)出可見光。當一顆行星即將要運動到其宿主恒星背后的時候，它就會顯露出它溫度最高、最明亮的一側(cè)。隨著它在視野中消失，恒星就會遮擋它所發(fā)出的光。盡管行星對整個系統(tǒng)的亮度貢獻非常之小——約1/10,000，但“開普勒”觀測到的這一二次掩食的信號卻是明白無誤的。

這說明“開普勒”真的具有了能找到地球大小外星行星的精度。2011年2月“開普勒”公布了它在2009年5月2日至9月16日的觀測結果，發(fā)現(xiàn)了1,235個外星行星候選體。其中的1,202個可分為5類：68個和地球相仿，288個是超級地球（比地球略大），662個和海王星相當，165個具有木星大小，另有19個達到了木星的2倍。

現(xiàn)在“開普勒”的搜尋仍在繼續(xù)。熱類木星固然不錯，但它的主要目標是位于其他恒星宜居帶中的地球大小行星。這意味著尋找那些周期比“開普勒”首批發(fā)現(xiàn)的5顆周期在3～4天的行星長得多的外星行星，這同時也意味著“開普勒”團隊需要耐心和毅力——因為對于周期為1年的外星地球而言，至少要花3年以上的時間來觀測到它3次以上的凌星才能確定它的存在。

這也正是約翰內(nèi)斯·開普勒所具備的品質(zhì)。他的一生都在鍥而不舍地從事研究工作，他在其中尋找到了美，這也正是“開普勒”團隊現(xiàn)在正在做的。