“星探”開普勒如何尋星

諸葛士元

“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡是如何尋找這些系外類地行星的呢？

尋找系外類地行星的“開普勒”又立新功。

2015年7月24日，美國航空航天局宣布，其“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了迄今為止與地球最為相似的太陽系外行星——開普勒-452b。目前，人類已知的大部分類系外地行星都是由“類地行星神探”——“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的，它已發(fā)現(xiàn)了4696個系外行星候選者，確認(rèn)了1030顆系外行星，其中有12顆宜居帶內(nèi)的系外行星直徑介于地球的1～2倍之間，它們都有可能與地球相似。

那么，“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡是如何尋找這些系外類地行星的呢？

那么多姓“開普勒”的星

現(xiàn)在，人類已找到了三類太陽系外行星——?dú)怏w巨星、短周期軌道上熾熱的超級地球和冰巨星。

所謂類地行星簡單地說類似于地球的行星，它由巖石構(gòu)成，圍繞像太陽的恒星運(yùn)行，可能孕育著生命，因而具有研究意義。比如，大小為地球的一半到兩倍之間的行星，尤其是那些在恒星周圍的宜居帶的行星，在該區(qū)域運(yùn)行的行星表面很可能有液態(tài)水的存在。

長期以來，人類一直在通過各種辦法在太陽系外尋找類似地球的行星。但其面臨的一大困難就是缺乏觀測手段，因?yàn)樵陬愃铺栂档倪b遠(yuǎn)星系中，恒星和行星的距離往往較近，恒星發(fā)出的強(qiáng)烈光芒會掩蓋行星，使地球上的天文望遠(yuǎn)鏡觀測不到。

其實(shí)，早在2009年3月3日以前，人類就已發(fā)現(xiàn)了342顆太陽系外行星，不過其中絕大多數(shù)屬于類木行星，它們體積比較大，表面是氣體，據(jù)信其中沒有一顆適于生命存在。這樣的結(jié)果主要是由于當(dāng)時(shí)的探測方式和技術(shù)水平?jīng)Q定的，但并不能說明太陽系外不存在類地行星或有生命存在且與地球大小相當(dāng)?shù)男行恰?/p>

2009年3月6日，美國發(fā)射了世界第一個專門用于尋找太陽系外類地行星的空間望遠(yuǎn)鏡——“開普勒”。其“絕活”是攜帶了全球體積最大的光度計(jì)到太空中去，該裝置能幫助搜尋太陽系外類地行星。

“開普勒”的任務(wù)是尋找與地球相似的星球，解答“地球是不是孤獨(dú)的”的這個人類亙古以來就面臨的難題。我們想要知道銀河系中是否有宜居帶或者其附近的數(shù)百個地球大小和比地球小的行星，即恒星宜居帶中不太冷、不太熱、存在液態(tài)水的行星，我們希望確定銀河系的數(shù)千億恒星的一部分中可能擁有這種行星。簡單地說，“開普勒”就是要找到宇宙中生命有可能存在的地方，從而改變?nèi)祟悓τ钪娴目捶?，有望從根本上改變?nèi)祟悓ψ陨淼恼J(rèn)識。

找到宜居行星只是尋找外星生命的第一步。如果發(fā)現(xiàn)許多類地行星，就意味著生命可能在銀河系內(nèi)普遍存在;如果沒有發(fā)現(xiàn)或發(fā)現(xiàn)很少的類地行星，則表明地球可能是唯一的生命站。當(dāng)時(shí)專家預(yù)計(jì)，“開普勒”可發(fā)現(xiàn)50顆以上的類地行星。

其實(shí)，單就開普勒-452b來說，它不是最像地球的太陽系外行星，因?yàn)?014年宣布發(fā)現(xiàn)的開普勒186f，半徑是地球的1.17倍，2015年年初宣布發(fā)現(xiàn)的開普勒-438b，半徑更是只有地球的1.12倍。這2顆行星都處在各自恒星的宜居帶內(nèi)，也都比開普勒-452b更接近于地球的大小。只不過，這2顆行星所環(huán)繞的恒星都要比太陽小得多，也暗得多。而開普勒-452b所環(huán)繞的恒星非常類似于太陽。因此，如果把恒星也考慮進(jìn)來的話，開普勒-452b確實(shí)稱得上是“另一個地球”。

當(dāng)然，“開普勒”的主要目標(biāo)并不是要尋找“另一個地球”，而是通過這種抽樣調(diào)查的方式，幫天文學(xué)家更好地了解地球這樣的宜居行星在整個銀河系當(dāng)中到底有多么普遍。開普勒-452b就像比地球大的遠(yuǎn)房親戚，研究它有助于科學(xué)家理解地球的進(jìn)化環(huán)境，預(yù)見地球的未來。

由于“開普勒”成就顯著，2013年4月，美國航空航天局宣布，將“開普勒”原定3年半的任務(wù)期延長至2016年。但在2013年5月14日，“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡的1個反作用飛輪壞了，再加上2012年壞的1個反作用飛輪，其4個用于姿態(tài)控制的反作用飛輪已壞了2個，所以無法繼續(xù)提供精確的定位，完成搜尋使命。

在經(jīng)過數(shù)個月的努力后，美國航空航天局于2013年8月15日宣布放棄修復(fù)“開普勒”。不過，2014年，“開普勒”團(tuán)隊(duì)用太陽光子產(chǎn)生的壓力作為一個虛擬反應(yīng)輪，成功重新控制了望遠(yuǎn)鏡并使其“復(fù)活”，而其在重獲“新生”后再建新功。未來，美國將發(fā)射“太陽系外行星獵人”來接替“開普勒”，完成尋找系外行星的任務(wù)。

如何發(fā)現(xiàn)表兄

太陽系外有多少個地球？直到現(xiàn)在也幾乎沒有答案，原因就在于目前的天文觀測還不足以探測到這些“特殊”的行星。

目前，探測太陽系外行星常用方法有幾種。“開普勒”采用的是測量“凌星”的方法。

當(dāng)行星從其母恒星前飛過時(shí)會阻擋了一部分恒星的光，即出現(xiàn)行星“凌星”現(xiàn)象，這樣就可確定這顆母恒星周圍存在的行星，并根據(jù)“凌星”的間隔和亮度等確定行星的軌道、溫度和大小等。這就像人們看到遠(yuǎn)處有一輛亮著大燈的汽車，當(dāng)一只小蟲從汽車前經(jīng)過時(shí)，可通過光線變化推斷蟲子的大小。四是測量速度。它是沿著觀測者和目標(biāo)恒星之間的矢徑測量恒星速度，因?yàn)楹阈堑摹耙曄蛩俣取睍驀@其運(yùn)動的行星而變化。

以前，大部分的太陽系外行星是通過測量“視向速度”法，即測量速度法來發(fā)現(xiàn)的，根據(jù)多普勒效應(yīng)，恒星的“視向速度”可以從恒星光譜線的移動推導(dǎo)出來。這種方法很有可能發(fā)現(xiàn)靠近其恒星的大行星，然而它對于和地球質(zhì)量相仿的低質(zhì)量行星并不敏感。

在當(dāng)今，用測量“凌星”法更適合發(fā)現(xiàn)像地球大小的星體。

嚴(yán)格地講，“開普勒”并不是世界第一個專門用于尋找太陽系外類地行星的空間望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)闅W洲在2006年12月27日發(fā)射的 “科羅”空間望遠(yuǎn)鏡也是用測量“凌星”的辦法來探測太陽系外行星的。但是“開普勒”要比“科羅”空間望遠(yuǎn)鏡先進(jìn)得多，成果也多得多，所以，美國自稱“開普勒”是世界第一。

由于“開普勒”是圍繞太陽運(yùn)行的，而“科羅”是繞地球運(yùn)行的，這意味著“開普勒”能有更多的時(shí)間搜尋目標(biāo)星球的“芳蹤”。與“科羅”衛(wèi)星相比，“開普勒”可以在3年半的時(shí)間里不間斷地觀測同一片天區(qū)。而“科羅”由于是圍繞地球轉(zhuǎn)動的，因此地球會經(jīng)常遮擋住它的視線;同時(shí)為了避免陽光對觀測的影響，因此“科羅”對同一片天區(qū)的最長連續(xù)觀測時(shí)間只有5個月。另外，“開普勒”也比“科羅”靈敏得多，因?yàn)槠涔舛扔?jì)主鏡直徑是“科羅”的3.5倍，因此它能看到大小只有地球一半、和火星差不多大的行星。

“開普勒”探測系外行星的秘訣是：從地球方向上看，當(dāng)恒星系統(tǒng)中的行星運(yùn)行到“開普勒”與恒星之間時(shí)，由于行星遮擋了一部分恒星發(fā)出的光，所以會使“開普勒”光度計(jì)接收到的恒星亮度會變?nèi)?，變化范圍大約是5×10-5～40×10-5，連續(xù)大約2～16小時(shí)?！伴_普勒”就是這樣根據(jù)一顆恒星亮度的周期性微弱變化，來判斷其周圍可能存在行星。

通過測量“凌星”行星的公轉(zhuǎn)周期，利用開普勒第三定律——所有的行星的軌道的半長軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等，就可大致計(jì)算出行星軌道大小。

行星越大，遮擋的光線就越多，所以通過觀測到“凌星”的深度（恒星亮度減弱的程度），即掌握光線變暗的程度，就可計(jì)算出行星的大小。

人類的專職星探

不過，每顆行星需要至少觀測到3次“凌星”現(xiàn)象才能確定其軌道周期，并確定光線變暗不是由其他某種現(xiàn)象（比如該恒星上的耀斑）造成的。如果潛在的行星軌道周期很短（幾天或幾周），則意味著它距其母星非常近;而軌道周期很長（幾年），則意味著它更接近于該恒星引力控制范圍的邊緣。距離過近或過遠(yuǎn)會使行星上過熱或過冷，無法支持生命的出現(xiàn)。

“開普勒”探測到的亮度微弱變化可以小到百萬分之十左右。同時(shí)，在了解了恒星的運(yùn)行軌道大小和溫度的基礎(chǔ)上，可計(jì)算出行星特定的溫度。對這些基本情況的了解能告訴人們某顆行星是否具有宜居性。

雖然這一技術(shù)方法在1999年前就被科學(xué)家采用了，并幫助了天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了300多顆較大的行星，但“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡的特點(diǎn)是把目標(biāo)對準(zhǔn)更小的行星，即像地球一般大的宜居住行星，它們都圍繞其母恒星運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于能長時(shí)間地監(jiān)測目標(biāo)，所以“開普勒”至少能看到3次軌道周期為一年的行星“凌星”。這是嚴(yán)格確認(rèn)這些周期性事件所需的最少觀測次數(shù)，由此可排除諸如恒星亮度自身漲落等干擾因素，證實(shí)星斑干擾的周期性和規(guī)律性。

耗資近6億美元的“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)壽命3.5年，探測銀河系內(nèi)的天鵝星座與天琴星座之間的一小塊天區(qū)（10°角寬約20個滿月的宇宙空間），通過檢測其間10萬多顆像太陽一樣的恒星（其距離在586.8～2999.2光年之間）每半個小時(shí)的亮度變化，研究行星穿越其恒星面前時(shí)產(chǎn)生的“穿越”現(xiàn)象，就能有望尋找到圍繞這些恒星周圍的類地行星跡象，并描述它們的特征。

之所以把觀測區(qū)域選擇在銀河系中的天鵝座和天琴座一帶，是因?yàn)樘禊Z座距離地球軌道（黃道）北部很遠(yuǎn)，太陽不會干擾“開普勒”的視線，有利于連續(xù)觀測。此外，它也是銀河系中擁有大量恒星的一個區(qū)域。

為了保證有效觀測，“開普勒”在上天的第一年跟蹤了17萬顆恒星，隨后慢慢將范圍縮至10萬顆。具體方法就是當(dāng)行星從恒星和“開普勒”中間飛過時(shí)，“開普勒”利用類似數(shù)碼相機(jī)一樣光度計(jì)來觀察恒星的亮度發(fā)生的輕微變化。這有助于人類了解銀河系中到底存在多少顆跟地球體積一樣的行星，對未來的太空任務(wù)也很重要。由于行星“凌星”現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間并不長，眾多的恒星又必須同時(shí)觀察，這就要求所有受觀測恒星的亮度每隔數(shù)小時(shí)就必須測量一次。

為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)的觀測，“開普勒”上的光度計(jì)視場要在黃道平面之外，這樣才能不被太陽或月球周期性的遮擋。所以，該空間望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行在與地球相同、與地球同速繞太陽運(yùn)行的軌道上，能避開太陽的遮擋。其一個軌道周期約為372.5天是尾隨地球的一條日心軌道，即地球拖尾日心軌道。在這條軌道上，“開普勒”緩慢駛離地球，4年后距離地球0.5天文單位（1個天文單位=149598000 千米），從而能在整個任務(wù)期間一直對相同恒星進(jìn)行觀察，尋找大小與地球相仿、處在可支持生命的軌道區(qū)域內(nèi)的行星，最大可能地避開太陽、地球以及月球的干擾，不存在因重力梯度、磁矩或大氣阻力而產(chǎn)生的力矩來干擾空間望遠(yuǎn)鏡，因而能保持非常穩(wěn)定的指向姿態(tài)，還避免了與地球軌道相關(guān)的高輻射量（但偶爾也會遭受太陽耀斑的輻射）。

這一優(yōu)勢使包括“哈勃”再內(nèi)的其他天文衛(wèi)星望塵莫及，有可能揭開一些“特殊”行星的面紗。

“哈勃”不能用于尋找類地行星，一是因?yàn)槠湟晥鎏?，無法用于觀測大量亮度較高的恒星，僅相當(dāng)于人們在手臂長的距離看到一粒鹽大小的面積。二是“哈勃”主要用于幫助整個天文學(xué)界解答數(shù)千個疑問，所以不能對恒星亮度進(jìn)行連續(xù)測量，要想知道凌星會在何時(shí)發(fā)生，必須連續(xù)關(guān)注4年才行。三是“哈勃”并沒有安裝專用光度計(jì)，無法同時(shí)對10萬多顆恒星進(jìn)行觀測并且要達(dá)到所要求的精確度。