使命：尋找地球的“兄弟”

▲ 開普勒空間望遠(yuǎn)鏡候選觀測范圍

▲ 開普勒望遠(yuǎn)鏡的觀測區(qū)域示意圖

開普勒空間望遠(yuǎn)鏡的首要目標(biāo)，是發(fā)現(xiàn)太陽系外的類似地球的行星。它也是人類第一個(gè)能夠探測到太陽系以外遙遠(yuǎn)地方類似地球大小的系外行星的任務(wù)。它使用名為過渡法的技術(shù)來進(jìn)行探測。這是一種光度測量技術(shù)，可測量行星在其主星前方經(jīng)過時(shí)的星光的微弱變暗情況。

觀測的區(qū)域

發(fā)射升空后，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡沿著一個(gè)螺旋的軌道，緩緩遠(yuǎn)離地球。

在其主要任務(wù)的前四年，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡觀測位于天鵝座的一片星空?！伴_普勒”數(shù)據(jù)發(fā)布的新結(jié)果對于了解銀河系中不同類型行星的軌道以及行星形成的方式具有重要意義。自2014年以來，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡一直在利用其延長的第二次任務(wù)來收集數(shù)據(jù)，觀測銀河系的黃道平面。

開普勒空間望遠(yuǎn)鏡的主要觀測區(qū)域，位于銀河系第一道曙光的區(qū)域，在天鵝座和天琴座之間，靠近織女星。整個(gè)觀測區(qū)域覆蓋整整100平方度的天球，相當(dāng)于兩個(gè)北斗七星并排起來的范圍。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，有450萬顆恒星能夠被確認(rèn)觀測到。開普勒望遠(yuǎn)鏡選擇了其中15萬顆為重點(diǎn)觀測對象。在持續(xù)3年半的時(shí)間里，它一直凝視著這些恒星，以便捕捉其亮度變化的情況。經(jīng)過算法處理后的圖像，帶上了顏色編碼，給較亮的恒星賦予白色，較暗的恒星則賦予了紅色。

▲ 幾顆“開普勒”明星與太陽系的自然天體的對比

為了能夠發(fā)現(xiàn)像地球這樣小的行星（個(gè)頭兒雖小，但確實(shí)不可替代），開普勒望遠(yuǎn)鏡故意讓畫面顯得有些模糊不清。這樣可以最大限度地減少因少數(shù)幾顆特別明亮的恒星迫使傳感器飽和的情況出現(xiàn)。因?yàn)橐坏╋柡?，就會錯(cuò)過很多不太明亮但卻擁有極佳宜居環(huán)境的恒星系統(tǒng)。

開普勒空間望遠(yuǎn)鏡的42塊電荷耦合器件CCD傳感器拼接后，形成了擁有9500萬像素的望遠(yuǎn)鏡的眼睛。通常來說，人類眼睛中有650萬個(gè)視錐細(xì)胞，1.2億個(gè)視桿細(xì)胞。因此，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡從這個(gè)角度上來看，已經(jīng)比較接近人眼了。

開普勒望遠(yuǎn)鏡的視場中，其四個(gè)角是黑色的，這四塊區(qū)域并不用來感受遙遠(yuǎn)恒星的光度變化，而是用來測量恒星的位置并與開普勒望遠(yuǎn)鏡姿態(tài)控制系統(tǒng)內(nèi)的星圖進(jìn)行比對。每100毫秒，這樣的比對工作就進(jìn)行一次，以此來確保開普勒望遠(yuǎn)鏡在太空中不會迷失方向，能夠穩(wěn)穩(wěn)地凝視指定的星空區(qū)域。

卓著的成果

開普勒空間望遠(yuǎn)鏡可謂成果卓著。

在開普勒望遠(yuǎn)鏡之前，人類只能猜測有系外行星的存在。而在今天，借助開普勒望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果，人類已經(jīng)確定：在銀河系內(nèi)，在太陽系外，有2662顆系外行星存在。這是對530506顆恒星進(jìn)行多年的觀測所取得的成果。這些系外行星，有的和地球的大小差不多，有的體積是地球的10倍，而有的則是比木星還要巨大的巨行星。

行星的命名

發(fā)現(xiàn)了那么多系外行星，那么是怎樣給它們命名的呢？

人類目前還來不及為一下子發(fā)現(xiàn)的這么多系外行星起文雅的名字。凡是開普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的，都冠上“開普勒”這個(gè)名字，然后標(biāo)注表示編號的阿拉伯?dāng)?shù)字。

▲ 多種多樣的恒星與行星的關(guān)系

比如，開普勒-11星系。這個(gè)星系有6顆行星圍繞一顆和咱們的太陽非常相像的恒星運(yùn)行。這些行星，按確認(rèn)發(fā)現(xiàn)的先后順序，被命名為開普勒-11b、開普勒-11c、開普勒-11d、開普勒-11e、開普勒-11f、開普勒-11g。

也就是說，在阿拉伯?dāng)?shù)字后面跟的小寫字母，就代表這個(gè)星系中的某顆行星。這個(gè)字母，從b開始，因?yàn)閍本身默認(rèn)留給了這個(gè)星系核心的恒星。

明星的誕生

開普勒-69星系是一個(gè)雙行星系統(tǒng)，開普勒-69b和開普勒-69c兩顆行星繞著他們的恒星旋轉(zhuǎn)。這個(gè)星系距離地球約2700光年，位于天鵝座。開普勒-69的恒星和太陽屬于同一類，都是G型恒星。

開普勒-69c比地球大70%，是在類太陽恒星的可居住區(qū)域內(nèi)已知的公轉(zhuǎn)軌道最小的系外行星?？茖W(xué)家目前還不確定開普勒-69c的大氣成分，但是基本上已經(jīng)確定其表面平均溫度為275℃。因此，與其把開普勒-69c稱作超級地球，不如把它叫做超級金星。

這顆每242個(gè)地球日就圍繞其恒星公轉(zhuǎn)一周的行星，就像金星一樣，有著熾熱的大氣。

▲ 開普勒-69c，超級金星

▲ 開普勒-22b

“開普勒”在開始進(jìn)行科學(xué)觀測幾個(gè)月后，宣布發(fā)現(xiàn)了五個(gè)系外行星，分別名為開普勒-4b，5b，6b，7b和8b。這些系外行星之所以這么快就被發(fā)現(xiàn)，主要是因?yàn)樗齻儌€(gè)頭兒都很大。這些系外行星全部比海王星要大，有的甚至比木星還要大。這些行星僅需3.3天到4.9天就能夠繞它們的恒星公轉(zhuǎn)一周。這表明它們離恒星太近了，而且這些恒星都比太陽要熱得多。想象一下，當(dāng)木星比水星更靠近太陽的時(shí)候，會發(fā)生什么！這些星球的表面溫度在3000℃以上。

開普勒-62e星，比地球大60%，圍繞著一顆比太陽更小的恒星運(yùn)行，距離地球1200光年。這顆每122個(gè)地球日圍繞其主星繞一圈的行星，擁有涼爽的表面。很有可能的是，在它冰凍的外表下面，有巨大的海洋。

開普勒-62星系的主星，已經(jīng)70億歲了，這個(gè)星系是個(gè)極度缺乏金屬的星系。這里如果有高等文明的話，其使用的建筑材料或許會以高分子化合物為主。

▲ 開普勒-35

與開普勒-62e星同處一個(gè)星系的開普勒-62f星，比地球大40%，每267天繞主星公轉(zhuǎn)一圈。按目前的觀測結(jié)果，未來，人類的飛船可以在開普勒-62e和開普勒-62f上著陸。

開普勒-20e是一顆沒有大氣層的巖石星球。這顆半徑為地球0.868倍的星球，太靠近主星，以至于它被潮汐鎖定。就像月球和地球的關(guān)系那樣，開普勒-20e始終只有一面對著主星。開普勒-20e到其主星的距離只有地球到太陽距離的5.07%，僅需6.098天就繞其主星公轉(zhuǎn)一圈。

在它永久的白天和永久的黑夜之間的晨昏線上，巨大的溫度差異塑造了其獨(dú)特性格。以87.5°的傾角繞其主星的超近距離轉(zhuǎn)動，使其地質(zhì)活動異常活躍。

這里極有可能存在大量活火山。

在同一個(gè)星系內(nèi)，開普勒-20f的溫度稍低，但是依然比地球的平均溫度高太多。它的公轉(zhuǎn)周期為19.6天。開普勒-20f的半徑為地球的1.03倍，極其接近地球。

▲ 開普勒-78b（右）

在開普勒-20星系內(nèi)，還有其他3顆行星，分別為開普勒-20b、開普勒-20c和開普勒-20d，都是氣態(tài)巨行星。

開普勒-22星系的主星是一顆G型恒星，質(zhì)量比太陽少3%，體積比太陽小2%。該恒星的表面溫度為 5518開（5245℃），和太陽比較接近（太陽的表面溫度是5778 開，也就是5505℃）。

開普勒-22星系的這顆恒星的年齡大約為40億歲，比太陽年輕一些（太陽的年齡為46億歲）。

開普勒-22b星，這顆系外行星被很多人稱作“水世界”。這顆半徑為地球2.4倍的系外行星，極有可能有大量的水存在，其大氣層或許有著非常豐富的云層活動。

開普勒-35星系，兩顆巨大的恒星相互圍繞，成為雙星主星。該星系或許只有一顆行星。這顆和咱們的土星大小相當(dāng)?shù)男行枪陋?dú)地繞雙星公轉(zhuǎn)，每131天轉(zhuǎn)一圈。

在這顆行星上，在白天抬頭仰望的話，會是兩顆相互繞轉(zhuǎn)的太陽。

開普勒-78b星，比地球重70%，比地球大20%。它離主星太近了，僅8.5個(gè)小時(shí)就能夠繞其主星轉(zhuǎn)一圈。按動力學(xué)仿真的結(jié)果，該星的表層巖石時(shí)刻處于重力場的撕扯之中，其星球表面時(shí)刻伴隨有巨大的轟鳴聲。這真是一個(gè)煉獄般的世界，巖漿會覆蓋整個(gè)星球表面。

開普勒-10星系距離我們很近，只有不到565光年。在15萬候選恒星中，開普勒-10星系的恒星備受關(guān)注。

這顆星和太陽極其相似，只不過年齡大了一些。開普勒-10星系的主星，年齡超過80億歲。如果這里有智慧生物的話，很有可能比我們?nèi)祟惖奈拿饕l(fā)達(dá)得多。

開普勒-10b是開普勒-10星系中第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的行星。它是一個(gè)被燒焦的星球。它到其主星的距離比水星太陽的距離要近20倍。據(jù)分析，開普勒-10b的表面溫度超過2000℃。這顆熔巖星球的質(zhì)量是地球的4.6倍，半徑是地球的1.4倍。

在開普勒空間望遠(yuǎn)鏡的飛輪系統(tǒng)還好的時(shí)候，它就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了不少系外行星。這些行星中，最多的還是體積和我們的海王星類似的行星，只有808顆系外行星的尺寸和我們的地球相當(dāng)。

開普勒空間望遠(yuǎn)鏡不僅向我們揭示了系外行星大量存在這個(gè)事實(shí)，而且還向我們展示了千姿百態(tài)的星系構(gòu)成形式。

星系的排列有密有疏，氣態(tài)大行星的數(shù)量有多有少。

開普勒望遠(yuǎn)鏡篩選出了可供人類居住的系外行星（理論上）：開普勒-22b、開普勒-69c、開普勒-62e、開普勒-62f。

開普勒-90星系的主星是一顆類似太陽的恒星，而且也有8顆行星。但是它的所有8顆行星都被擠壓到了地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道范圍內(nèi)。

▲ 開普勒-90星系（上）與太陽系（下）的對比

▲ 地球（左）與開普勒-452b（右）的對比。開普勒-452b，比地球更年老，比地球更大

開普勒-90i星的一年，只有14.4天，而太陽系里的水星，一年時(shí)間也有88天呢。這個(gè)星系，正在從青春期向成熟期生長。這8顆行星，在未來，會逐漸擴(kuò)散成像太陽系一樣的大間距。是的，一個(gè)和我們的太陽系非常類似的星系正在成長中。

“接近”的定義

找到了那么多系外行星，那么到底哪一顆才是最接近地球的呢？這就需要定義一下“接近”了。

ESI，為地球相似指數(shù)，其數(shù)值范圍在0到1之間，越接近1，表明和地球越像。其中，變量x目前是由行星半徑、行星密度、逃逸速度和表面溫度這4個(gè)數(shù)值組成的。如果ESI值能夠達(dá)到0.8，那就表明，該星球在很大概率上是一顆巖石星球，并且?guī)в凶銐蚝竦拇髿鈱印?/p>

先來算一下火星和金星吧。

小火箭分別從直徑、質(zhì)量和表面重力加速度來說：火星介于地球和月球之間，火星的直徑約為地球的一半，是月球的兩倍；火星質(zhì)量約為地球的九分之一，為月球的九倍；火星的表面重力加速度約為地球的38%，是月球的2.4倍?；鹦求w積約為地球的15%，質(zhì)量約為11%，表面積略小于地球陸地面積。

▲ 開普勒-186f

▲ 開普勒-7b（左）與木星（右）

綜合計(jì)算，考慮到表面溫度白天可達(dá)28℃，夜晚可低至-132℃，平均-63℃，得到火星的地球相似指數(shù)為：0.638。

金星的直徑是12092公里（只比地球少 650公里），質(zhì)量是地球的81.5%。從尺寸上來講，金星簡直就是地球的孿生妹妹。但是金星表面的狀況從根本上就與地球完全不同，其稠密的大氣層富含二氧化碳。金星大氣中含有96.5%的二氧化碳，其余的3.5%大多是氮?dú)?。綜合計(jì)算，金星的地球相似指數(shù)ESI為：0.78。

其他太陽系內(nèi)的天體的地球相似指數(shù)，可以自行計(jì)算，比如月球是0.56，水星是0.39，冥王星是0.076。

目前，已經(jīng)確認(rèn)的系外行星中，地球相似指數(shù)最高的，是開普勒-438b星，其數(shù)值高達(dá)0.88，比金星和火星都要高得多。

開普勒-438b星距離地球639光年，該星的半徑為地球半徑的1.12倍，表面平均溫度為37℃。

另有一顆尚在確認(rèn)過程中的系外行星，其編號為KOI-4878.01，距離地球1075光年。該星的地球相似指數(shù)為0.98！這顆星也是開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的，不過還未得到最終的確認(rèn)，我們還是等待科學(xué)家的最終定論吧。

開普勒空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)耗盡了最后一滴燃料，孤零零地漂浮在太空。而它9年來兢兢業(yè)業(yè)的工作，已經(jīng)讓我們有充足的理由暢想：

我們在這個(gè)宇宙，并不孤獨(dú)。而我們對太空的好奇和對真理的渴求，永不會結(jié)束。