“類地行星神探”開普勒

司馬

尋找太陽系外類地行星的開普勒空間望遠(yuǎn)鏡比地面望遠(yuǎn)鏡有明顯的優(yōu)勢，因為它被部署在太空，能避免地球的晝夜、季節(jié)循環(huán)干擾以及天氣變化和大氣擾動（圖中陰影部分表示太陽系外星系）

尋找太陽系外類地行星的開普勒空間望遠(yuǎn)鏡比地面望遠(yuǎn)鏡有明顯的優(yōu)勢，因為它被部署在太空，能避免地球的晝夜、季節(jié)循環(huán)干擾以及天氣變化和大氣擾動（圖中陰影部分表示太陽系外星系）

隨著“地球表哥”開普勒-452b揭開神秘面紗，人們對開普勒（Kepler）空間望遠(yuǎn)鏡的探究熱情也持續(xù)升溫。目前，人類已知的大部分太陽系外類地行星都是由“神眼”開普勒發(fā)現(xiàn)的，在4696個可能的系外行星候選者中，開普勒已經(jīng)確認(rèn)了1030顆。那么，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡是如何尋找系外類地行星的呢？

類地行星，顧名思義就是類似于地球的行星，它由巖石構(gòu)成，圍繞著像太陽一樣的恒星運(yùn)行，很可能孕育著生命，因而具有十分重要的研究意義。長期以來，人類一直通過各種辦法在太陽系外尋找類地行星，但面臨的一大困難就是缺乏觀測手段。因為在類似太陽系的遙遠(yuǎn)星系中，恒星和行星的距離往往較近，所以恒星發(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。

在開普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的1030顆已經(jīng)證實(shí)的系外行星中，有12顆系外行星的大小不超過地球的兩倍，且位于母恒星的宜居帶內(nèi)，有可能與地球相似

開普勒：把光度計帶到太空去

其實(shí)，早在2009年3月3日以前，人類就已發(fā)現(xiàn)了342顆系外行星，不過它們絕大多數(shù)屬于類木行星，即都是體積比較大、表面是氣體、類似于木星的行星，據(jù)說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)時的探測方式和技術(shù)水平所決定的，并不能說明太陽系外不存在類地行星或與地球大小相當(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”是把全球體積最大的光度計帶到太空中去。

開普勒的任務(wù)是尋找與地球相似的行星，解答“地球是否是孤獨(dú)的”這個人類亙古以來就面臨的難題。簡單地說，這項任務(wù)就是要找到宇宙中生命有可能存在的地方，從而有可能改變?nèi)祟悓τ钪娴目捶ê蛯ψ陨淼恼J(rèn)識。

因此，科學(xué)家們把研究重點(diǎn)瞄準(zhǔn)恒星宜居帶中是否有與地球大小相當(dāng)，不太冷、不太熱、可能存在液態(tài)水的行星。這次發(fā)現(xiàn)的開普勒-452b，直徑比地球大60%，然而單就大小而言，它并不是最像地球的太陽系外行星，因為2014年宣布發(fā)現(xiàn)的開普勒-186f，其直徑是地球的1.17倍;2015年年初宣布發(fā)現(xiàn)的開普勒-438b，其直徑更是只有地球的1.12倍。這兩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，這兩顆行星所環(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)繞的母恒星，與太陽非常類似：其直徑比太陽大10%，質(zhì)量比太陽多4%，亮度比太陽高10%～20%，連表面溫度都相近，只是年長了15億歲。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”。

歐洲科羅號尋找系外行星（來源：ESA）

當(dāng)然，開普勒的主要目標(biāo)還是通過抽樣調(diào)查的方式，幫助天文學(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。研究這些地球的“遠(yuǎn)房親戚”，有助于科學(xué)家理解地球的演化，并預(yù)測地球的未來。

巧用“凌星”尋芳蹤

用“凌星”法搜尋太陽系外行星，一般用3個參數(shù)來考量，即“凌星”的重現(xiàn)周期、間隔以及“凌星”時恒星亮度的相對變化量。根據(jù)“凌星”現(xiàn)象的周期性，能確定這顆恒星周圍是否存在行星;根據(jù)行星“凌星”的間隔，能計算出行星的軌道以及估計行星的溫度;根據(jù)行星“凌星”時亮度變化的大小，能確定行星的大小。

從地球方向上看，當(dāng)恒星系統(tǒng)中的行星運(yùn)行到開普勒空間望遠(yuǎn)鏡與恒星之間時，由于行星遮擋了一部分恒星發(fā)出的光，所以會使開普勒的光度計接收到的恒星亮度變?nèi)?，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡上的光度計非常靈敏，可以檢測到約恒星亮度十萬分之一的微弱變化?？茖W(xué)家根據(jù)恒星亮度的周期性微弱變化，可以推算出系外行星的大小和軌道周期。

行星“凌星”產(chǎn)生的光變曲線，1、2、3為行星行進(jìn)過程中的3個時刻

不過，對每顆行星至少要觀測到3次“凌星”現(xiàn)象，才能確定其軌道周期。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;如果其軌道周期很長（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)。綜合這些因素能告訴人們，某顆行星是否具有宜居性。

開普勒探測系外行星的秘訣

宇宙浩瀚無垠，我們究竟該如何探測系外行星呢？以前，大部分系外行星是通過測量“視向速度”來研究，因為恒星的“視向速度”會隨著圍繞其運(yùn)動的行星而變化。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。這種方法有利于發(fā)現(xiàn)靠近恒星的大行星，然而對于和地球質(zhì)量相仿的小質(zhì)量行星，這種方法并不具有優(yōu)勢。

調(diào)試光度計上由CCD圖像傳感器

如今，測量“凌星”法更適合發(fā)現(xiàn)像地球大小的星體，開普勒就是采用這種方法。當(dāng)行星從其母恒星前飛過時，會阻擋一部分恒星的光，即出現(xiàn)行星“凌星”現(xiàn)象，這樣就可以確定這顆母恒星周圍是否存在行星，并根據(jù)“凌星”的間隔和亮度等因素，確定行星的軌道、溫度和大小等指標(biāo)。這就像人們看到遠(yuǎn)處有一輛亮著大燈的汽車，當(dāng)一只小蟲從車燈前經(jīng)過時，可通過光線變化推斷蟲子的大小。

通過研究行星在對應(yīng)恒星面前“穿越”的現(xiàn)象，就有望能“追蹤”到圍繞這些恒星的類地行星的痕跡。嚴(yán)格地講，開普勒并不是世界上第一個專門用于尋找系外類地行星的空間望遠(yuǎn)鏡，因為歐洲在2006年12月27日發(fā)射的科羅（COROT）空間望遠(yuǎn)鏡也是用測量“凌星”的辦法來探測系外行星的。但是開普勒要比科羅空間望遠(yuǎn)鏡先進(jìn)，成果也更豐富。

由于開普勒是圍繞太陽運(yùn)行的，運(yùn)行軌道與地球軌道基本重合，一個周期約為372天。而科羅是繞地球運(yùn)行的，這意味著開普勒能有更多的時間搜尋目標(biāo)星球的“芳蹤”。與科羅相比，開普勒可以在3年半的時間里不間斷地觀測同一片天區(qū)。而由于地球經(jīng)常會遮擋科羅的視線，同時為避免陽光對觀測的影響，科羅對同一片天區(qū)的最長連續(xù)觀測時間只有5個月。另外，開普勒也比科羅靈敏得多，因為其光度計主鏡直徑是科羅的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。

由于能長時間連續(xù)觀測，所以開普勒能至少“看到”3次軌道周期為一年的行星“凌星”現(xiàn)象。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耀斑或恒星亮度自身漲落情況的干擾。

為開普勒物色“潛伏地”

測試開普勒上的“神眼”——光度計

為實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測，開普勒上的光度計視場要在黃道平面之外，這樣才能不受太陽或月球的周期性遮擋。因此，科學(xué)家們?yōu)殚_普勒物色了一個“絕佳潛伏地”——開普勒空間望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行在與地球相同的軌道上，與地球同速繞太陽運(yùn)行。

科學(xué)家們將開普勒的觀測天區(qū)選擇在銀河系中的天鵝座和天琴座一帶。之所以這樣，是因為天鵝座距離地球軌道（黃道）北部很遠(yuǎn)，因此開普勒不會被太陽干擾視線。此外，它也是銀河系中擁有大量恒星的一個區(qū)域。

調(diào)試光度計上由CCD圖像傳感器組成的焦平面陣

為了保證有效觀測，開普勒在上天的第一年，就跟蹤了17萬顆恒星，隨后慢慢將范圍縮至10萬顆。每當(dāng)行星從恒星和開普勒中間飛過的時候，開普勒就利用類似數(shù)碼相機(jī)一樣的光度計，捕捉恒星亮度的細(xì)微變化。由于行星“凌星”現(xiàn)象持續(xù)時間并不長，眾多的恒星又必須同時觀察，這就要求開普勒隨時嚴(yán)陣以待，對所有目標(biāo)恒星每隔數(shù)小時監(jiān)測一次。

“天眼”開普勒技高一籌

開普勒看上去其貌不揚(yáng)，卻擁有一臺迄今為止世界最大、靈敏度極高的光度計。它用精確度和靈敏度都超高的光學(xué)數(shù)字探測器組合（總計約9500萬像素）來捕獲繞母星運(yùn)行的系外行星所引起的細(xì)微光線變化。如果我們從太陽系外看，地球經(jīng)過太陽面前時，只阻擋了0.008%的太陽光，而開普勒的設(shè)計精確度是能探測到小至0.002%的微弱亮度變化，這種情況相當(dāng)于跳蚤跳過車前燈。

這臺光度計具有105°×105°的寬視場，這意味著開普勒空間望遠(yuǎn)鏡能在視場中看到更多數(shù)量的恒星。它的靈敏度極高，可連續(xù)、同步監(jiān)測10萬多顆像太陽一樣的恒星的亮度，及時發(fā)現(xiàn)行星的“穿越”現(xiàn)象。假如開普勒把鏡頭移向地球上的某一個小鎮(zhèn)，這臺光度計甚至可以偵測到一個打著電筒走過的人。

相信有開普勒的鼎力相助，還會有更多太陽系外的類地行星呈現(xiàn)在人們眼前。

開普勒的“重生”

由于開普勒成就顯著，2013年4月，美國國家航空航天局宣布，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，2013年8月15日，美國國家航空航天局曾宣布放棄修復(fù)開普勒。不過，2014年，開普勒團(tuán)隊用太陽光子產(chǎn)生的壓力作為一個虛擬反應(yīng)輪，重新控制了望遠(yuǎn)鏡并使其“復(fù)活”，而其在重獲“新生”后，竟再建新功。不久的將來，美國將發(fā)射“太陽系外行星獵人”來接替開普勒，繼續(xù)完成尋找系外行星的使命。