開普勒望遠(yuǎn)鏡“眼”中的廣袤宇宙

編譯 陸默

NASA發(fā)射了凌星系外行星巡天衛(wèi)星TESS，科學(xué)家為此回顧了它的前身：向我們揭示復(fù)雜性無法想象的宇宙奧秘的“行星獵手”開普勒望遠(yuǎn)鏡。

在一個(gè)個(gè)晴朗無云的夜晚，成千上萬微小的光點(diǎn)布滿了黑暗的天空。幾千年來，人們一直在仰望著繁星點(diǎn)點(diǎn)的神秘天空，想知道那里到底有些什么，或者說有些什么人。廣袤的太空中會(huì)有像我們地球一樣環(huán)繞太陽運(yùn)行的世界嗎？宇宙中會(huì)有其他許多像我們一樣的生命世界嗎？我們?cè)谟钪嬷惺仟?dú)一無二的孤獨(dú)的生命存在嗎？

TESS發(fā)射計(jì)劃在稍作推遲后于2018年4月成功發(fā)射，這個(gè)新的“行星獵人”發(fā)射后，美國(guó)宇航局（NASA）將以新的探測(cè)結(jié)果來回答這些古老的問題。TESS——這顆凌星系外行星巡天衛(wèi)星——將在接下來的兩年里觀察整個(gè)天空，掃描發(fā)現(xiàn)我們?cè)谔罩械泥従印獓@恒星運(yùn)行的系外行星，尋找其他太陽系、類地行星和生命進(jìn)化的可能線索。

TESS并不是第一個(gè)尋找地外行星的軌道望遠(yuǎn)鏡，之前，美國(guó)宇航局的開普勒望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)為人類睜眼看宇宙鋪平了道路。

自2009年首次發(fā)射以來，開普勒發(fā)現(xiàn)了超過2 600個(gè)地外行星，其中近3/4是已知的地外行星。大量的數(shù)據(jù)以及隱藏在其中的驚喜，徹底改變了我們對(duì)外星世界的看法，并讓科學(xué)家有可能回答一些關(guān)于我們?cè)谟钪嬷形恢玫淖罟爬献钌羁痰膯栴}。

“開普勒為我們提供了一個(gè)真實(shí)的宇宙視景?！奔~約康奈爾大學(xué)卡爾·薩根研究所所長(zhǎng)麗莎·卡特尼格（Lisa Kaltenegger）說道，“大自然似乎在任何可能的地方都能誕生行星。” 卡特尼格是TESS科學(xué)小組的一員。

發(fā)現(xiàn)太陽系外行星是相對(duì)較新的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)。盡管哲學(xué)家和科學(xué)家都曾一直假設(shè)它們的存在，但直到20世紀(jì)90年代，天文學(xué)家才發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了第一個(gè)地外行星。在開普勒太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之前，人類已經(jīng)通過地面望遠(yuǎn)鏡探測(cè)發(fā)現(xiàn)了300多個(gè)地外行星，每一次發(fā)現(xiàn)都是一個(gè)值得慶賀的事件，每一次發(fā)現(xiàn)都產(chǎn)生了許多相關(guān)的科學(xué)論文。

但是，開普勒太空望遠(yuǎn)鏡改變了這一切。

“我們幾乎已經(jīng)不記得，在2009年開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之前，我們對(duì)宇宙的了解是多么少。”美國(guó)加州莫菲特場(chǎng)NASA艾姆斯研究中心的天體物理學(xué)家杰西·多森（Jessie Dotson）說道，多森是開普勒任務(wù)的科學(xué)家之一。

從地球上看宇宙，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的地外行星大部分都是有木星那么大的巨型行星，開普勒的數(shù)據(jù)證實(shí)了科學(xué)家們的猜測(cè)：太空中確實(shí)存在有像我們太陽系這樣的恒星系統(tǒng)，但還有一些與太陽系完全不同的恒星系統(tǒng)。

開普勒：尋找和發(fā)現(xiàn)系外行星

開普勒望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)任務(wù)是“行星獵手”。按照預(yù)先設(shè)定的計(jì)劃，開普勒望遠(yuǎn)鏡將同時(shí)觀測(cè)成千上萬顆恒星，讓我們可以知道地外行星的存在究竟有多么普遍。要做到這一點(diǎn)，必須讓它在視景范圍內(nèi)能夠容納盡可能多的恒星。開普勒望遠(yuǎn)鏡的“目光”投向了我們銀河系內(nèi)一片最遙遠(yuǎn)的天空，收集那里恒星亮度的數(shù)據(jù)。

科學(xué)家利用“凌星法”對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理。所謂凌星法是指，系外行星從我們觀察恒星的視線前方經(jīng)過時(shí)，會(huì)遮擋住部分恒星發(fā)出的光線，恒星亮度會(huì)稍微變暗，“暗點(diǎn)”的出現(xiàn)表明在恒星和開普勒望遠(yuǎn)鏡之間有一顆行星穿過，暫時(shí)擋住了一些光線。若有這樣的發(fā)現(xiàn)，開普勒望遠(yuǎn)鏡將繼續(xù)對(duì)沿類地軌道運(yùn)行的行星觀測(cè)至少3年，以排除其他可能的解釋。

尋找類地軌道運(yùn)行的行星將發(fā)現(xiàn)有可能承載生命的行星。我們知道，所有生命的生存都需要液態(tài)水。地球與太陽的距離不太遠(yuǎn)也不太近，使得它既不太熱，也不太冷，液態(tài)水在地球表面才能穩(wěn)定地存在，地球與太陽的相對(duì)位置形成的一個(gè)環(huán)帶就是“適居帶”，也叫“宜居帶”。

開普勒計(jì)劃旨在確定我們的銀河系中是否有大量的系外行星，如今已經(jīng)確定了這一點(diǎn)?？茖W(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為，行星的數(shù)量比恒星還多?！案鶕?jù)我們的推測(cè)，”馬薩諸塞州坎布里奇市麻省理工學(xué)院天體物理學(xué)家、TESS任務(wù)副科學(xué)主任薩拉·西格爾（Sara Seager）說道，“恒星誕生于一團(tuán)團(tuán)氣體和塵埃中，就像起居室里積起的灰塵團(tuán)一樣，我們認(rèn)為行星也是由這些材料形成的。”但是，多森博士指出，“推測(cè)某件事的可能性與確定其真實(shí)性之間是有很大區(qū)別的?！?/p>

在開普勒發(fā)現(xiàn)的大量行星中最普遍的也是我們所不熟悉的：體積介于地球和海王星之間的行星。有時(shí)這些行星被描述為“超級(jí)地球”或“迷你海王星”，這些行星在我們的太陽系中沒有直接的類比物?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，像我們這樣的太陽系并不是最常見的。大多數(shù)行星系統(tǒng)都是圍繞著暗淡的M型紅矮星運(yùn)行的，而不是像我們圍繞的太陽這樣的黃色G型恒星。這些構(gòu)成我們星系中近3/4的恒星，是TESS任務(wù)的主要觀測(cè)目標(biāo)。

開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的一些發(fā)現(xiàn)顛覆了我們的想象。神秘的“迷你海王星”并不是開普勒發(fā)現(xiàn)的唯一怪異行星。科學(xué)家們已經(jīng)在太空中找到了水世界、熱木星、熔巖世界，甚至還發(fā)現(xiàn)了環(huán)繞雙星系統(tǒng)的行星存在的證據(jù)，它們就像《星球大戰(zhàn)》中的虛構(gòu)行星塔圖因一樣，圍繞著兩顆恒星運(yùn)行。

“行星的多樣性令人驚訝，”卡特尼格教授說道，“如果我們?cè)谔栂抵兄话l(fā)現(xiàn)了類似于地球的行星，這當(dāng)然很令人欣喜，但卻有點(diǎn)過于單調(diào)而無趣了?！?/p>

另一顆地外行星竟然是令人驚訝地環(huán)繞著一顆白矮星運(yùn)行的，白矮星是極其古老接近死亡邊緣的恒星的余燼。仔細(xì)觀察這個(gè)恒星系統(tǒng)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這顆行星正在被撕裂開，并被漸漸拉近垂死的恒星，這是行星進(jìn)化的結(jié)局之一的展現(xiàn)。

這一發(fā)現(xiàn)有可能給予天體生物學(xué)家以新的啟示，如何以及到哪里去尋找生命的跡象?！斑@一發(fā)現(xiàn)告訴我們，它們是已經(jīng)在太空中存在了很久的星體，我們不應(yīng)該只是考慮星體在太空中的位置，同時(shí)還要考慮它們?cè)谔罩写嬖诘臅r(shí)間?！泵绹?guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心天體物理學(xué)家埃莉莎·昆塔納（Elisa Quintana）說道。昆塔納在加入TESS任務(wù)之前，曾任開普勒任務(wù)團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家達(dá)10年之久?！耙苍S每個(gè)恒星系統(tǒng)在一小段時(shí)間內(nèi)都可能有生命存在?！彼a(bǔ)充說道。

開普勒太空望遠(yuǎn)鏡為天文學(xué)家提供了大量的數(shù)據(jù)以拼湊出行星進(jìn)化的模型。但是，“就像大多數(shù)偉大的科學(xué)任務(wù)一樣，產(chǎn)生的問題比能夠回答的問題要多。”西格爾教授說道。

TESS任務(wù)：尋找宜居行星

與開普勒望遠(yuǎn)鏡一樣，TESS計(jì)劃的主要任務(wù)是尋找行星，找到那些有可能為宇宙中生命起源提供答案的行星。這顆衛(wèi)星將掃描幾乎整個(gè)天空，尋找離地球足夠近的行星（距地球300光年），有足夠亮度可作為未來太空探索任務(wù)目標(biāo)的行星，如同NASA的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的探索任務(wù)。

TESS的目標(biāo)將主要集中于M型紅矮星（那些紅色的小星星，尤其是在銀河系角落里的紅矮星）上。正如開普勒望遠(yuǎn)鏡視野中所展現(xiàn)的那樣，這些恒星周圍最有可能發(fā)現(xiàn)許多有液態(tài)水存在的類地行星，這為我們尋找外星生命又提出了許多新問題?！拔乙匦滤伎伎删幼⌒砸馕吨裁矗F(xiàn)在我們要問，有液態(tài)水存在是否足以適宜居住？”多森說道。

開普勒望遠(yuǎn)鏡收集到的數(shù)據(jù)促使科學(xué)家們?nèi)ミM(jìn)行發(fā)散性思考，而不只局限于我們所了解的模型：我們的星球和我們的太陽系?！拔覀冇?顆類地行星、4顆巨型行星，還有一顆我們稱之為太陽的明亮恒星。”昆塔納博士說道。但開普勒望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)已證明我們的恒星系統(tǒng)絕不是宇宙中標(biāo)準(zhǔn)的恒星系統(tǒng)?！皩?shí)際上最常見的宜居行星會(huì)不會(huì)是一顆環(huán)繞雙星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星呢？”我們可以想象，這些環(huán)繞雙星的行星上的人在太空中尋找其他有生命存在的行星時(shí)，他們會(huì)不會(huì)也有可能只會(huì)考慮這樣的雙星系統(tǒng)或多星系統(tǒng)。

通過開普勒望遠(yuǎn)鏡、TESS計(jì)劃和其他任務(wù)在太空中的探索和發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們正在發(fā)現(xiàn)越來越多的系外行星，供未來的科學(xué)家研究和建立模型。

開普勒任務(wù)為TESS和其他未來的任務(wù)奠定了基礎(chǔ)，“開普勒為我們鋪平了道路?！被蛘哒f走出了一條路，卡特尼格說道。1992年，當(dāng)首席研究員威廉·伯魯基（William Borucki）首次提出這個(gè)計(jì)劃時(shí)，開普勒任務(wù)被認(rèn)為是一個(gè)靠不住的有太大風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)，伯魯基經(jīng)過多次不懈的努力后該計(jì)劃才獲得了批準(zhǔn)。

然后，經(jīng)過了4年的太空掃描觀察和許多地外行星的發(fā)現(xiàn)，2013年5月，由于機(jī)械故障，主任務(wù)突然中斷。維持太空望遠(yuǎn)鏡定向的4個(gè)反作用輪中有兩個(gè)斷裂，導(dǎo)致開普勒失去了作為行星獵手的作用。但是科學(xué)家們還沒有做好與開普勒望遠(yuǎn)鏡最后告別的準(zhǔn)備。

科學(xué)界很快發(fā)現(xiàn)，他們可以利用太陽輻射的壓力穩(wěn)定望遠(yuǎn)鏡，使其視野沿著地球軌道的平面繼續(xù)觀察新一片天空區(qū)域達(dá)83天左右。2014年，美國(guó)宇航局批準(zhǔn)了第2個(gè)名為K2的開普勒任務(wù)，并再次開始了源源不斷的地外行星的新發(fā)現(xiàn)。

如今，開普勒太空望遠(yuǎn)鏡即將完成它的歷史使命：預(yù)計(jì)在未來幾個(gè)月內(nèi)它的燃料將會(huì)耗盡。但這并不意味著對(duì)開普勒新發(fā)現(xiàn)地外行星的探索任務(wù)的終結(jié)。對(duì)開普勒和K2任務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選可能需要大約10年時(shí)間，這一過程將會(huì)帶來更多系外行星的發(fā)現(xiàn)。

在兩次開普勒任務(wù)期間，開普勒太空望遠(yuǎn)鏡所做的不僅僅是積累了大量的科學(xué)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)同時(shí)也改變了我們對(duì)宇宙以及對(duì)我們?cè)谟钪嬷形恢玫恼J(rèn)識(shí)。