尋星者“開普勒”幫地球找親戚

2014年2月26日，美國(guó)航天局宣布，由開普勒太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的715顆候選太陽(yáng)系外行星被證實(shí)為行星。這幾乎使由開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的“外星世界”的數(shù)量增加了4倍，同時(shí)將已知太陽(yáng)系外行星的總數(shù)從1 035提升至1 750。這批行星圍繞305顆恒星轉(zhuǎn)動(dòng)，呈現(xiàn)出許多類似太陽(yáng)系的多星球星系。

這一發(fā)現(xiàn)讓天文學(xué)家興奮不已，因?yàn)檫@預(yù)示著，我們能從這里面找到更多可能存在生命跡象的行星。這不，沒(méi)過(guò)多久，4月17日出版的《科學(xué)》雜志就刊文稱，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了迄今為止人類尋找到的最像地球的行星“開普勒-186f”。這個(gè)最新被發(fā)現(xiàn)的星球看起來(lái)正適合我們所知的生命存在條件，不太大又不太小，不太冷又不太熱。發(fā)現(xiàn)它的，正是開普勒望遠(yuǎn)鏡。

開普勒望遠(yuǎn)鏡于2009年3月6日發(fā)射升空，是世界上首個(gè)專用于搜尋系外類地行星的航天器。如今，它已經(jīng)交出了一份漂亮的答卷。

在它之前發(fā)現(xiàn)的系外行星

在宇宙中尋找類地行星和地外文明，是人類自古以來(lái)就有的愿望。只是在技術(shù)落后的過(guò)去，這一愿望僅能停留在豐富的想象之中。自1995年10月6日兩位瑞士天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系外第一顆行星后，人類才看到了實(shí)現(xiàn)這一愿望的曙光。從那時(shí)起，世界科學(xué)界發(fā)現(xiàn)系外行星的步伐加快了。到1998年末，天文學(xué)家在太陽(yáng)系外發(fā)現(xiàn)的行星總數(shù)已達(dá)26顆。

1999年1月7日，美國(guó)天文學(xué)會(huì)宣布，根據(jù)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的最新發(fā)現(xiàn)，宇宙約有1 250億個(gè)星系，銀河系僅是其中的一個(gè)普通星系，太陽(yáng)僅是銀河系3 000多億顆恒星中的普通一顆。這大大增強(qiáng)了科學(xué)家尋找系外類地行星的信心。

幾乎在同時(shí)，一個(gè)國(guó)際天文研究小組宣布，他們于1998年7月發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系外第一顆類地行星，也是人類發(fā)現(xiàn)的第27顆系外行星。該星的直徑稍大于地球，質(zhì)量亦比地球稍重一點(diǎn)，并圍繞著1顆熱度與太陽(yáng)一樣的恒星運(yùn)行，兩者距離為1～4個(gè)天文單位，這個(gè)距離對(duì)維持生命來(lái)說(shuō)恰到好處。太陽(yáng)系中日-地平均距離1.496億千米，被定義為1個(gè)天文單位，這是使地球具有生命所需溫度的重要因素。顯而易見(jiàn)，要在宇宙中尋找生命，就要搜索與恒星距離接近1個(gè)天文單位的位于宜居帶的類地行星。在太陽(yáng)系，宜居帶被認(rèn)為是從0.95個(gè)天文單位延伸至1.37個(gè)天文單位的區(qū)域。

截至2009年3月初，科學(xué)家共發(fā)現(xiàn)了342顆系外行星，其中僅有7顆類地行星，其他基本屬于體積較大、由氣體組成的類似木星的行星，均不適合孕育生命。發(fā)射開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的目的，就是為了讓它在繞行太陽(yáng)的軌道上尋找更多的系外類地行星，并查看是否具備存活外星生命的條件。

“開普勒”交卷之后已經(jīng)壞了

以德國(guó)天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開普勒命名的太空望遠(yuǎn)鏡，外形呈圓筒狀，直徑2.7米，長(zhǎng)4.7米，內(nèi)部?jī)H裝1臺(tái)迄今世界最大的光度計(jì)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而靈敏度極高。光度計(jì)是一臺(tái)直徑為0.95米的施密特望遠(yuǎn)鏡，在透鏡后面裝有一排由42塊CCD圖像傳感器組成的接收器。每塊CCD尺寸為50毫米×25毫米，像素為2 200×1 024，這使整個(gè)接收器相當(dāng)于一個(gè)具有9 461萬(wàn)像素的數(shù)碼相機(jī)。觀測(cè)的數(shù)據(jù)將以連續(xù)的方式不間斷地存儲(chǔ)下來(lái)，每月向地球傳回一次。這些數(shù)據(jù)資料被地面站接收后，最終被傳送到美國(guó)的太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)院，再由美國(guó)航天局的艾姆斯研究中心進(jìn)行科學(xué)分析。

開普勒計(jì)劃本來(lái)為期3.5年，在2012年4月，美國(guó)航天局決定將該計(jì)劃延長(zhǎng)至2016年。不料在2012年7月和2013年5月14日，開普勒望遠(yuǎn)鏡4只反應(yīng)輪中的兩只先后停止工作，反應(yīng)輪主要幫助控制望遠(yuǎn)鏡的方向，壞了兩只意味著開普勒望遠(yuǎn)鏡將不能指向想要指向的地方，不能收集數(shù)據(jù)。因?yàn)殚_普勒望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)距離地球6 400萬(wàn)千米，路途遙遠(yuǎn)，無(wú)法派機(jī)器人或航天員前去修理，美國(guó)航天局被迫于2013年8月15日宣布放棄修復(fù)開普勒望遠(yuǎn)鏡。該設(shè)備由此結(jié)束搜尋系外行星的主要任務(wù)，但它仍可能被用于其他太空觀測(cè)科研工作，繼續(xù)發(fā)揮作用。

但是，即便開普勒望遠(yuǎn)鏡結(jié)束數(shù)據(jù)收集的工作，它已搜集到的那些數(shù)據(jù)也夠地面人員忙活一兩年的，艾姆斯研究中心首席科學(xué)家威廉·博魯茨基當(dāng)時(shí)就說(shuō)：“我認(rèn)為，最有趣、最激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)將在今后兩年內(nèi)出現(xiàn)，這一項(xiàng)目沒(méi)有結(jié)束。”

“打包”發(fā)現(xiàn)系外行星

果不其然，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的分析研究，天文學(xué)家確認(rèn)，由開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的715顆候選太陽(yáng)系外行星被證實(shí)為行星。開普勒望遠(yuǎn)鏡此前發(fā)現(xiàn)過(guò)246顆系外星球，這一數(shù)字現(xiàn)在已經(jīng)劇增到961顆，比過(guò)去19年內(nèi)人類發(fā)現(xiàn)的總數(shù)789顆還多，使已知太陽(yáng)系外行星總數(shù)已達(dá)1 750顆，從而得出了本文開頭所講的結(jié)論。

這份根據(jù)開普勒望遠(yuǎn)鏡在2009年至2011年間采集的數(shù)據(jù)編纂的新系外行星花名冊(cè)意味著，多行星系統(tǒng)在太空望遠(yuǎn)鏡持續(xù)監(jiān)控的15萬(wàn)顆恒星中是相對(duì)較為常見(jiàn)的。研究人員表示，過(guò)去科學(xué)家尋找系外行星通常是“一個(gè)一個(gè)分析的艱苦過(guò)程”，一次只能發(fā)現(xiàn)一顆或少數(shù)幾顆，而他們利用一顆恒星通常有多顆行星繞轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，開發(fā)出一種“多重性確認(rèn)”統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)，使得一次性“大批量”確認(rèn)系外行星成為可能。這715顆行星分布在約305個(gè)多行星系統(tǒng)中，并配有太陽(yáng)系的類地行星所具有的圓形軌道，但排列要更加緊密。

這些新發(fā)現(xiàn)的系外行星，約95%的大小介于地球與海王星之間，有4顆系外行星位于母星的“宜居帶”中。這意味著理論上其表面可保持有適宜生命存在的液態(tài)水和溫度條件。但這4顆天體的大小均不到地球的2.5倍，且都在數(shù)百光年之外，開普勒望遠(yuǎn)鏡只能粗略觀察。盡管許多系外行星都比地球大，但這些系外行星系統(tǒng)類似于內(nèi)太陽(yáng)系按比例縮小的版本，使得我們有機(jī)會(huì)著眼于開普勒數(shù)據(jù)集，并從我們所處的環(huán)境中獲得線索。

顯而易見(jiàn)，這些新發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步強(qiáng)化了“類似于地球的系外行星在我們的宇宙中是很常見(jiàn)的”這一理念，盡管它們依然很難被發(fā)現(xiàn)和描述。這筆系外行星的“意外之財(cái)”，凸顯了開普勒望遠(yuǎn)鏡的主要發(fā)現(xiàn)——小行星在我們的星系中是很常見(jiàn)的。