開普勒空間望遠(yuǎn)鏡重獲新生

在進(jìn)行了4年富有成效的行星搜尋工作之后，如果不出其他意外的話，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡即將變革天體物理學(xué)的一些新領(lǐng)域。

2 0 1 3年5月1 4日，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡又有一個(gè)反作用輪失靈。4個(gè)反作用輪中雖然還有2個(gè)在工作，但這無法穩(wěn)定它的姿態(tài)。失去了精確指向的能力，就意味著“開普勒”將無法繼續(xù)進(jìn)行其搜尋太陽系外行星的主科學(xué)任務(wù)。

距離地球6 0 0 0萬千米，再加上不由自主的翻滾，任何一個(gè)缺乏決心的團(tuán)隊(duì)都會放棄這架空間望遠(yuǎn)鏡。但是，“開普勒”團(tuán)隊(duì)沒有放棄，他們想出了一個(gè)方法——用太陽光幫助維持“開普勒”的指向。就像在指尖上平衡一支鉛筆，科學(xué)家精心調(diào)整了“開普勒”的姿態(tài)，使得照射到它的太陽光能夠?qū)λ┘右粋€(gè)不變的外力。于是，太陽光壓充當(dāng)了“開普勒”失靈的第二個(gè)反作用輪，穩(wěn)定住了這架空間望遠(yuǎn)鏡，讓它能夠在幾個(gè)月的時(shí)間里對準(zhǔn)天空的某一片特定區(qū)域。為了防止陽光照射進(jìn)望遠(yuǎn)鏡，“開普勒”每8 3天必須調(diào)整一次指向。

在沉寂了1年多之后，“開普勒”重回天文學(xué)研究的第一線。

凌星致暗

“開普勒”讓在其他恒星周圍發(fā)現(xiàn)地球大小的行星變成了現(xiàn)實(shí)。如果在遙遠(yuǎn)的恒星系統(tǒng)中有什么東西——例如一顆行星——恰好從恒星前方經(jīng)過，它的遮擋會使星光的強(qiáng)度降低。沒有人懷疑這一點(diǎn)，只是過去無法探測到這一光變。

為了從技術(shù)上做到這一點(diǎn)，科學(xué)家花了幾十年的時(shí)間，其結(jié)果是一架空前強(qiáng)大的空間望遠(yuǎn)鏡，通過它可以觀測一大片天區(qū)，同時(shí)測量數(shù)千顆恒星亮度的微小變化。由此，天文學(xué)一躍進(jìn)入了太陽系外行星大量涌現(xiàn)的時(shí)代。

“開普勒”于2 0 0 9年3月6日發(fā)射，經(jīng)過幾輪測試之后，于當(dāng)年5月1 2日開始收集數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們可以確保這架耗資6億美元的望遠(yuǎn)鏡正常工作4年。然而，就在4年剛過2天的時(shí)候，它的第二個(gè)反作用輪失靈了。

在這4年里，“開普勒”發(fā)現(xiàn)了約1 0 0 0顆已被證實(shí)的太陽系外行星、超過4 0 0 0個(gè)行星候選體，以及2 0 0 0多對食雙星。就在幾十年前，談?wù)撈渌阈?/p>

周圍存在類地行星還只是科幻小說的范疇。即便在主序星周圍發(fā)現(xiàn)了行星，大多數(shù)也是熱類木星——極其靠近其主恒星的氣態(tài)巨行星。雖然沒有發(fā)現(xiàn)地球真正的孿生兄弟，但“開普勒”將其向前推進(jìn)了一大步。

“開普勒”最初的觀測區(qū)域位于天琴座和天鵝座，它收集的有關(guān)變星和脈動(dòng)恒星的觀測數(shù)據(jù)是一座豐饒的寶藏。這片天區(qū)包含1 5萬顆普通的恒星，它們極有可能都擁有可以被探測到的行星。之所以選擇這片遠(yuǎn)離黃道面——地球繞太陽公轉(zhuǎn)的平面——的天區(qū)，是為了讓“開普勒”能始終避免太陽光的干擾。

于是，“開普勒”可以一刻不停地監(jiān)視這一天區(qū)中的恒星，這是進(jìn)行行星普查最可靠的辦法。不幸的是，當(dāng)反作用輪失靈之后，這一點(diǎn)就變得遙不可及了。

作用與反作用

尋找地球大小的行星需要在測光和指向上做到穩(wěn)定與精度兼顧。為了維持三個(gè)自轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定，“開普勒” 需要三個(gè)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的反作用輪。它們安裝在“開普勒”的外部，在低摩擦軸承上高速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)它們在某個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)時(shí)，“開普勒”就會在另一個(gè)方向上緩慢自轉(zhuǎn)。反作用輪的優(yōu)點(diǎn)之一是它們由“開普勒”的太陽能電池板供電，這讓天文學(xué)家可以在不耗費(fèi)寶貴且有限的燃料的情況下調(diào)整它的指向。反作用輪為“開普勒”提供的穩(wěn)定性，與轉(zhuǎn)動(dòng)的自行車車輪能讓你保持平衡的原理是一樣的。想要充分認(rèn)識反作用輪的重要性，你不妨在保證安全的前提下試著在輪子不轉(zhuǎn)時(shí)保持自行車的平衡。

當(dāng)任務(wù)剛剛步入第3個(gè)年頭時(shí)， 第2號反作用輪率先失靈，這雖然令人沮喪，但并不致命。工程師仍有3個(gè)可用的反作用輪，不過已經(jīng)沒有備份。與位于地球附近的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡不同，“開普勒”位于一條周期為3 7 2. 5天的環(huán)太陽軌道上，因距離地球太遠(yuǎn)而無法派宇航員前去維修。所有人只能祈禱，希望另一個(gè)反作用輪千萬別出問題。

然而，要發(fā)生的事情總會發(fā)生。在故障發(fā)生前幾個(gè)月，第4號反作用輪便一直不太“正?！薄！伴_普勒”會每周兩次把它的健康狀況發(fā)回飛行控制中心，“開普勒”團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，第4號反作用輪時(shí)不時(shí)地顯現(xiàn)出不穩(wěn)定的摩擦信號。

2 0 1 3年5月1 4日，“開普勒”突然進(jìn)入了安全模式（一種保護(hù)狀態(tài)），其太陽能電池板對準(zhǔn)太陽，等待從地球發(fā)出的指令。所有人都立即懷疑是不是第4號反作用輪出了問題——這個(gè)反作用輪已停止轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)卻拼命想讓它轉(zhuǎn)起來。這是一場致命的災(zāi)難。

天文學(xué)家不得不感嘆“開普勒”的死亡。盡管美國航空航天局表示其任務(wù)可能并不會就此結(jié)束，但科學(xué)家都明白它再也無法像最初設(shè)計(jì)的那樣運(yùn)轉(zhuǎn)了?？雌饋?，該任務(wù)搜尋地球大小的行星的主要科學(xué)目標(biāo)不得不就此告一段落。

不過，美國航空航天局在設(shè)計(jì)“開普勒”時(shí)已經(jīng)考慮到了這一天。它的推進(jìn)器已經(jīng)開啟，以維持自身的穩(wěn)定性?！伴_普勒”由此進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定自轉(zhuǎn)的狀態(tài)，讓它可以與地球保持通信。

如果是你自家用的望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)了這種情況，并不是一個(gè)無法解決的問題，你只需要跟著目鏡轉(zhuǎn)動(dòng)自己的頭部即可。然而，隨著“開普勒”的轉(zhuǎn)動(dòng)，它會在探測器上把星像拉成弧形，而不是點(diǎn)狀。對測量亮度的微小變化來說，維持點(diǎn)狀的星像是至關(guān)重要的。

雙輪平衡

美國航空航天局在數(shù)周的時(shí)間里試圖通過發(fā)送指令修復(fù)兩個(gè)失靈的反作用輪。雖然它們最終開始了轉(zhuǎn)動(dòng)，但因受到的摩擦過大，使得整個(gè)探測器都在振動(dòng)，無法獲得有用的科學(xué)數(shù)據(jù)。最終，美國航空航天局在2 0 1 3年8月宣布修復(fù)方案失敗，該任務(wù)的數(shù)據(jù)采集工作正式結(jié)束。但是，這并不意味著完全放棄“開普勒”。

工程師發(fā)現(xiàn)，如果指向恰當(dāng)，可以利用太陽光的力量作為“開普勒”的第三個(gè)反作用輪。和太陽吹出的高速帶電粒子風(fēng)完全不同，施加在船身上的陽光輻射的壓強(qiáng)非常微小——相當(dāng)于在桌面上落一只蒼蠅的壓強(qiáng)。雖然微小，但原則上這一持續(xù)的作用力可以讓搖晃的“開普勒”重新保持平衡。

要利用陽光就必須讓“開普勒”“躺”在黃道面上，所能觀測的天體也受限于此。最節(jié)能的方式是讓“開普勒”與陽光入射的方向保持垂直，在創(chuàng)造性地利用推進(jìn)器來輔助的情況下，天文學(xué)家可以安排出一系列長達(dá)8 3天的觀測區(qū)間。雖然不如最初的“開普勒”，但足以用來探測短周期系外行星凌星以及其他許多天體物理事件。

在此，你不得不為工程師拍手叫好。他們找出了調(diào)整這架望遠(yuǎn)鏡指向的最佳方案，然后和天文學(xué)家一起對在這一方案下是否仍可以進(jìn)行科學(xué)觀測做出了評估?，F(xiàn)在，工程師和天文學(xué)家每周都會召開會議，不斷地修改對“開普勒”的科學(xué)期望值。在陽光的輔助下，“開普勒”幾乎能夠做到與之前相同的測光精度，但指向的是黃道面上的不同位置。

和之前僅盯著一片天區(qū)不同，現(xiàn)在“開普勒”也可被用來觀測年輕而活躍的恒星、星系、恒星形成區(qū)以及其他天體。擁有獲得如此高質(zhì)量數(shù)據(jù)的能力自然引起了天文學(xué)界的興趣，短短幾個(gè)月內(nèi)，天文學(xué)家針對只有2個(gè)反作用輪的“開普勒”提交了4 2項(xiàng)科學(xué)提案。

一切問題就都解決了？差不多，但是還缺少資金。隨著“開普勒” 任務(wù)的結(jié)束，其運(yùn)營預(yù)算也在2 0 1 4年1 0月1日歸零。為了證明它仍然值得注資，“開普勒”團(tuán)隊(duì)在2 0 1 4年春向美國航空航天局的運(yùn)轉(zhuǎn)任務(wù)資深評估委員會提交了一份提案。命運(yùn)掌握在他們手中。即便“開普勒”有口皆碑，但再次獲得資金絕非理所當(dāng)然，它要和其他8個(gè)已經(jīng)完成了主要任務(wù)的項(xiàng)目一同競爭。

在停止自主觀測之前，“開普勒”每年有1 8 0 0萬美元的預(yù)算。最終，美國航空航天局批準(zhǔn)其擴(kuò)展任務(wù)的成本為每年1 0 0 0萬美元，比管理團(tuán)隊(duì)要求的少了約1 0%。與此同時(shí)，對其第一階段所采集數(shù)據(jù)的分析工作仍在進(jìn)行，每年耗資約8 0 0萬美元。

在確保了資金之后，“開普勒”團(tuán)隊(duì)解決了一大后顧之憂。2 0 1 4年9月，美國航空航天局對其所剩燃料進(jìn)行了重新評估，發(fā)現(xiàn)足以用到2 0 1 7年，甚至更長。

由此，“開普勒”徹底浴火重生。它的新使命被稱為K2任務(wù)。

人見人愛

如果一切順利，K2將有望填補(bǔ)天體物理學(xué)中多個(gè)重大的空白。2 0 1 4年春，工程師進(jìn)行了一次初步的工程試運(yùn)行，在2 0 1 4年年底前完成了兩組科學(xué)觀測。K 2團(tuán)隊(duì)高興地報(bào)告稱，雖然其目標(biāo)天區(qū)發(fā)生了很大變化，但“開普勒”探測光強(qiáng)微小變化的能力并沒有大幅削弱。想象一下夜晚的上海金茂大廈，每間房間都亮著燈，有個(gè)人走到窗口前，把窗簾放下了幾厘米?！伴_普勒”可以測量出由此導(dǎo)致的亮度變化。

雖然所觀測天區(qū)的許多地方此前都被勘測過，但仍有許多目標(biāo)值得一看。每一個(gè)易于觀測的新天區(qū)都包含約1 0 0 0 0個(gè)天體。天文學(xué)家很少有機(jī)會利用這么精密的儀器來獲取數(shù)據(jù)。但現(xiàn)在，每過半年左右的時(shí)間，天文學(xué)家就有機(jī)會提出自己的觀測項(xiàng)目了。

天文學(xué)家將利用K2任務(wù)對星團(tuán)中的系外行星進(jìn)行一次普查。這些星團(tuán)的年齡從僅2 0 0萬歲到和銀河系的年齡相當(dāng)，由此可以補(bǔ)充我們對恒星系統(tǒng)演化的認(rèn)識。對試圖精確測量雙星系統(tǒng)的質(zhì)量、直徑和其他特性的天文學(xué)家來說，在K2的每次觀測中都會看到十幾對新的食雙星。

K2也有助于對超新星的研究。通過監(jiān)視1 0 5平方度的天區(qū)（相當(dāng)于北斗斗勺2倍大小的區(qū)域），在每次超過2個(gè)月的不間斷的時(shí)間里，K2幾乎肯定會捕捉到幾個(gè)遙遠(yuǎn)星系中的超新星爆發(fā)?！伴_普勒” 每觀測1 0 0 0個(gè)星系，就有希望發(fā)現(xiàn)一顆超新星。K2將觀測超新星爆發(fā)前的星系、爆發(fā)中的超新星以及逐漸變暗的超新星。這完全是獨(dú)一無二的，目前還沒有其他任何儀器能提供這些重要的信息。

令人特別感興趣的是Ia 型超新星，它們具有相同的最大亮度，使其可被作為標(biāo)準(zhǔn)燭光用來測量宇宙中的距離，告訴我們宇宙有多大。目前，天文學(xué)界對Ia 型超新星的成因仍有很大爭議，K2的觀測有望排除一些理論模型。

如果K 2任務(wù)能堅(jiān)持到第9次觀測，它的視場將指向銀河系中心附近，這讓研究黑洞和X 射線雙星的天文學(xué)家欣喜不已。在第9次觀測中，“開普勒”將對準(zhǔn)巴德窗口。這是一片無塵的天區(qū)，為觀測銀河系的核球提供了一個(gè)較為開闊的視野。天文學(xué)家希望，可以通過此次觀測來尋找銀心方向上的恒星周圍行星的微引力透鏡效應(yīng)。在這些微引力透鏡效應(yīng)中，行星的引力場會放大背景光源的亮度。K2的精度可以讓天文學(xué)家更好地普查銀河系中低溫的小質(zhì)量行星以及流浪行星。

當(dāng)然，這一切都不意味著在對K 2 任務(wù)進(jìn)行工程測試時(shí)拍攝的圖像，圈出的是兩個(gè)疏散星團(tuán)M35（上）和NGC2 1 58（下）。天文學(xué)家樂意看到“開普勒”的反作用輪出現(xiàn)故障。繼續(xù)監(jiān)視原來的天區(qū)有助于我們找到更多類似太陽系行星的行星——它們的大小與地球相似，軌道周期也更長。無法實(shí)現(xiàn)這一愿望令許多天文學(xué)家深感遺憾。

但天文學(xué)家習(xí)慣了物盡其用。惡劣的天氣、天文事件發(fā)生在不利于觀測的時(shí)間、身處不利的地理位置等，他們一直承受著不可抗因素的影響。盡管有這個(gè)優(yōu)良的傳統(tǒng)，但當(dāng)“開普勒”獲得新生時(shí)，許多天文學(xué)家仍對此贊嘆不已。

在發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計(jì)的行星候選體之后，“開普勒”已徹底改變了人類的宇宙視野?，F(xiàn)在，作為一架把目光轉(zhuǎn)向黃道的空間望遠(yuǎn)鏡，如果一切順利，它將有望在許多科學(xué)領(lǐng)域中帶來新的驚喜。