開普勒太空望遠(yuǎn)鏡及系外行星探索（下）

一、 開普勒太空望遠(yuǎn)鏡

開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)是探索行星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和多樣性，如：在各種恒星的可居住帶內(nèi)（或附近）存在的類地行星和更大的行星的百分比； 這些行星軌道的形狀、尺寸大小、物理特性和分布情況； 確定那些擁有行星系統(tǒng)的恒星的性質(zhì)等。獲得這些信息需要通過觀測大量恒星樣本，以及對大量觀測數(shù)據(jù)的分析處理來確定。

1. 開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)

開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)目標(biāo)是探索行星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和多樣性，如：在各種恒星的可居住帶內(nèi)（或附近）存在的類地行星和更大的行星的百分比； 這些行星軌道的形狀、尺寸大小、物理特性和分布情況； 確定那些擁有行星系統(tǒng)的恒星的性質(zhì)等。獲得這些信息需要通過觀測大量恒星樣本，以及對大量觀測數(shù)據(jù)的分析處理來確定。

2. 運(yùn)行軌道及觀測區(qū)域

開普勒太空望遠(yuǎn)鏡定位在地-日系統(tǒng)的第2拉格朗日點(diǎn)附近，跟著地球圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，可避免被地球遮蔽，能長時(shí)期、連續(xù)地觀測選定的目標(biāo)天區(qū)。開普勒太空望遠(yuǎn)鏡被設(shè)計(jì)指向遠(yuǎn)離黃道面的天鵝座和天琴座附近的一個(gè)10度乘以10度的天區(qū)，圖2中格子代表開普勒太空望遠(yuǎn)鏡探測器的視場。

開普勒望遠(yuǎn)鏡搜索系外行星使用的方法是凌日法（也稱凌星法或稱掩食法）。要觀測到遙遠(yuǎn)的系外行星凌恒星事件，要求在觀察過程中恒星都不能被其他天體遮擋，因此開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的目標(biāo)天區(qū)選擇在黃道面之外，這樣就不會(huì)被黃道面上、柯伊伯帶或小行星帶的天體遮蔽到。還有第二個(gè)原因是望遠(yuǎn)鏡視場里需要有盡可能多的恒星，但也不能密集到不可分辨，所以科學(xué)家選擇了天鵝座和天琴座附近的天區(qū)，那里既不是銀河系中心，也不是銀河系邊緣，又遠(yuǎn)離太陽系的黃道面。

開普勒任務(wù)分為兩期，第一期2009年至2013年，望遠(yuǎn)鏡正常觀測。

2013年，望遠(yuǎn)鏡的4個(gè)反應(yīng)輪損壞了2個(gè)，只剩2個(gè)反應(yīng)輪能工作，無法操控一直指向目標(biāo)天區(qū)。科學(xué)家想辦法控制望遠(yuǎn)鏡在一部分時(shí)間（約83天）能穩(wěn)定指向一個(gè)天區(qū)，然后再指向另一個(gè)天區(qū)。這樣的工作模式（稱為K2模式）從2014年一直工作到2018年。

二、開普勒的繼任者TESS

凌日系外行星巡天衛(wèi)星（ 簡稱TESS，中文苔絲）是NA SA為接替開普勒任務(wù)而發(fā)射的太空望遠(yuǎn)鏡，同樣用凌日（星）法搜尋系外行星。

但TE SS的搜尋目標(biāo)是太陽系周圍距離地球數(shù)百光年甚至更近的系外行星。另外TESS的視場更大，攜帶4個(gè)視場24度乘以24度的相機(jī)，幾乎可以對整個(gè)天空進(jìn)行搜尋。該探測器上功能強(qiáng)大的相機(jī)會(huì)持續(xù)不斷地對每個(gè)區(qū)域進(jìn)行查看，每27天巡視一次，每兩分鐘對星體的可見光進(jìn)行測量。

TESS的主要使命是在兩年內(nèi)“掃描”超過20萬顆太陽系外離地球“最近、最亮”的恒星，確認(rèn)是否有行星圍繞它們公轉(zhuǎn)。預(yù)計(jì)TESS會(huì)發(fā)現(xiàn)2萬顆系外行星，其中50顆以上“與地球一般大小”甚至更小。從啟用至今，TESS已經(jīng)掃描了近85%的天空范圍，為科學(xué)家提供了海量的天文數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)既復(fù)雜又海量，科學(xué)家必須通過各種方法分析，才能夠解讀出各種人們想知道的信息，包括系外行星的質(zhì)量、密度、體積和軌道等?，F(xiàn)在一個(gè)國際研究組通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，竟然一下子發(fā)現(xiàn)了97個(gè)由四顆恒星組成的天體系統(tǒng)。

三、中國搜尋地球2.0計(jì)劃

1995年以來，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了5000多顆系外行星。這些行星大小不一、形態(tài)各異，涉及熱木星、亞海王星、巖石行星、超級地球等類型。

天文學(xué)家將行星系統(tǒng)中適合生命存在的行星軌道范圍稱為“宜居帶”。在“宜居帶”內(nèi)， 行星表面平均溫度能夠維持液態(tài)水穩(wěn)定存在，因此可能擁有與地球類似的生命存在的條件。同時(shí)，這里的恒星輻射和活動(dòng)性不會(huì)太強(qiáng)， 以免行星大氣中的水分子、二氧化碳分子發(fā)生電離， 甚至剝離行星大氣。

目前發(fā)現(xiàn)的太陽系外宜居帶類地行星約50顆，但它們或者質(zhì)量大，或者距離地球遙遠(yuǎn)（幾千光年），或者圍繞紅矮星運(yùn)轉(zhuǎn)等。我們更關(guān)心的是距離地球較近（幾十光年范圍）圍繞類似太陽這樣的恒星周圍，有沒有類似地球的行星（相當(dāng)于一個(gè)孿生地球，或稱地球2.0），也就是和地球質(zhì)量相當(dāng)，軌道處于宜居帶，大氣或者表面可能有液態(tài)水來維持生命存在的行星。

中國科學(xué)家提出一項(xiàng)通過太空望遠(yuǎn)鏡開展的巡天計(jì)劃，尋找地球近距離的太陽系外處于宜居帶上的類地行星。這將是國際上首次專門在近鄰類太陽型恒星周圍尋找宜居類地行星的空間探測任務(wù)。

中國“地球2.0”項(xiàng)目匯聚了來自國內(nèi)外30多所大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)的超過200多位天文學(xué)家。未來，該項(xiàng)目所取得的觀測數(shù)據(jù)亦將實(shí)現(xiàn)全球共享——中國的“地球2.0”從一開始就超越了國界。