“開普勒”踏上尋親之旅

蔡如鵬

“開普勒”出發尋找另一顆地球，無論它發現了什么，都將會使太陽系外行星探測進入一個新紀元

400年前，開普勒因提出行星運動定律而開創天文學新局面。現在，一架以這位德國天文學家名字命名的太空望遠鏡又被天文學家們寄予了新的希望。

3月6日夜，“開普勒”太空望遠鏡在美國卡納維拉爾角空軍基地被送入太空，用以搜尋太陽系外與地球相似的行星。

搜尋外星人的家

類地行星指的是大小與地球相接近的行星，被認為是宇宙中最有可能存在生命的地方，因而在天文學研究中一直占有舉足輕重的位置。此前，通過地面望遠鏡和其他太空探測器，天文學家已經在太陽系外發現了340多顆行星(包括幾顆類地行星)，但它們表面的溫度都太高，并不適合生命生存。

“開普勒”的優勢在于，它所攜帶的設備十分靈敏，能夠檢測到更小、更冷、更適宜生命生存的類地行星。

作為世界上第一個專門用來尋找類地行星的航天器，“開普勒”攜帶了一架直徑95厘米的望遠鏡，其核心是一個9500萬像素的數碼相機。在漆黑的太空中，它可以觀測到地球上一盞普通燈的熄滅。

適合生物生存的類地行星必須與恒星保持適當的距離，不能太近，也不能太遠。只有這樣溫度才不會太高而把水燒開，也不會因為溫度太低而變成一個冰封的世界。

“如果有許多類地行星存在，那么就可能會有許多生命。”這項研究的首席科學家、美國航天局艾姆斯研究中心的威廉?博勒茨基說，“我們不是找外星人，而是找外星人的家。”

這位天文學家同時強調，“開普勒”的重點不在于找到任何特定行星，而是看看宇宙中類地行星到底有多罕見。

據悉，未來3至4年，這架耗資接近6億美元的太空望遠鏡，將對銀河系天鵝星座與天琴星座的一小塊天區，進行“不眨眼”的持續觀察，所監測的恒星數量將超過10萬個。

這些恒星雖然全在地球幾百光年之外，但均位于天空中的同一方向。美國華盛頓卡內基研究院參與這一研究的天文學家艾倫?博斯說：“這就像你打算研究一座城市，要先調查它的一片街區一樣。‘開普勒將告訴我們，必須搜查多少間‘房子，才能找到人類的鄰居。”

觀察燈塔邊的螢火蟲

搜尋太陽系外的行星并不是一件容易的事情。

其中，最大障礙是恒星會發出強烈的光芒，掩蓋了行星的存在。北京大學物理學院天體物理學家劉曉為對《中國新聞周刊》打比方說：“這就好比幾十公里外有一盞耀眼的燈塔，你要在它附近找螢火蟲，非常困難。”

因此，直到1995年，天文學家才發現了第一顆太陽系外的行星。

事實上，這顆行星并不是天文學家直接“觀察”到的，而是利用“視向速度法”間接證實了它的存在。

由于引力作用，行星會對母恒星的運動產生影響，使其出現周期性的輕微擺動。這種細微變化能夠在恒星的視向速度(天體沿觀測者視線方向單位時間內移動的距離)中得到準確的反映。因此，通過測算恒星的視向速度，就可以間接地尋找它附近的行星。

目前已發現的太陽系外行星，絕大多數都是通過“視向速度法”找到的。但這種方法只適合“觀察”質量較大、距離恒星很近的行星(這類行星由于大小類似于木星，因此也被稱為“熱木星”)，而對更小的類地行星，這種方法無能為力。

劉曉為告訴《中國新聞周刊》：“木星對太陽視向速度的影響大概是10米每秒，而地球只有零點幾米每秒，很難觀測。”因此，視向速度法不適合尋找類地行星。

“開普勒”則是通過跟蹤“凌日”現象來尋找那些“失落的世界”。

“凌日”是指當行星位于恒星和觀測者之間時，出現的一種天文現象。比如在地球上可以觀測到水星凌日或金星凌日，這時人們看到太陽表面上仿佛有個小黑點在緩緩移動。同樣，觀測其他恒星系統也有可能看到類似的凌日現象，從而證實行星的存在。

事實上，2006年12月歐洲發射的“科羅”天文望遠鏡，已經通過“凌日”現象發現了一顆迄今為止最小的類地行星。不過，這顆大小相當于地球兩倍的行星溫度極高，無法滿足生命存在的基本條件。

與圍繞地球轉動的“科羅”不同，“開普勒”將會在遠離地球的軌道上繞太陽轉動，以避免地球對其觀測的干擾。

同時，這也可以使“開普勒”能夠在3年半的時間里不間斷地觀測同一片天區，而“科羅”由于地球的阻擋，對同一片天區的最長連續觀測時間只有5個月。

如果一顆類地行星的公轉周期也是1年，而它恰巧又位于“開普勒”的視場之內，那就意味著它將有3次“凌日”現象被記錄下來。

艾倫?博斯說，當你第一次觀察到恒星亮度“變暗”時，不能說明任何問題。只有觀測到第二次“變暗”，你才能說這可能是“凌日”現象，不過這仍無法確定，你還需要等待下一次“變暗”。如果第三次“變暗”如期而至，基本就可以斷定這是一顆行星了，不過出于謹慎，你還應該繼續等待第四次“變暗”的出現，“而這些都需要持續不間斷地長時間監測，才能排除諸如恒星亮度自身漲落等因素的干擾”。

另外，“開普勒”具有非常廣闊的觀測視場范圍，至少能覆蓋10萬顆恒星，“足以構成一個具有統計學意義的樣本”，博斯說。事實上，這也是不使用“哈勃”望遠鏡的原因——它的視場太小。

成功需要運氣

“開普勒”最終能發現多少顆類地行星，現在沒人說得清楚。

不過，天文學家一般從理論上推測認為，類地行星相當普遍。博斯說，恒星在形成的時候，大量殘留下來的物質會在其周圍形成一個“盤”，逐漸演化成行星系統，“要讓類地行星無法形成，實際上反而會比較困難”。

與此同時，天文學家說，類地行星要比“熱木星”更容易形成。此前觀測到擁有“熱木星”的恒星，在所有恒星中所占比例至少有10%，甚至可以達到20%。因此，他們認為，類地行星的存在應該更加普遍才對。

“由于觀測手段及精度的限制，現在還無法準確估計宇宙中類地行星存在的數目，但粗略估計，銀河系中可能存在上億顆類地行星。”國家天文臺副臺長趙剛對《中國新聞周刊》說，“如果銀河系的觀測結果可以推及到其他星系，那么宇宙中的類地行星數目將是一個非常巨大的天文數字。”

趙剛曾于2009年1月借助視向速度法發現了一顆太陽系外行星。這也是中國天文學家發現的第一顆太陽系外行星。他說，如果“開普勒”的探測獲得成功，人們對類地行星的認識將有質的飛躍。

不過，“開普勒”的成功或許還需要一些運氣。

博斯說，如果假設每顆恒星都有一顆類地行星，而在1000顆類地行星中有一顆被觀測到，那么“開普勒”就能“看”到大約100顆類地行星。

“不過假如我們錯了，比如說，每100顆恒星才有一顆類地行星，那么‘開普勒就只能找到一顆。如果運氣不好，甚至連一顆也找不到。如果每1000顆恒星中才有一顆恒星擁有類地行星，那發現它們真的需要運氣。”博斯說。

博勒茨基說，如果找到了數量可觀的類地行星，那么未來15年，必定將掀起一股研究這些行星的熱潮，比如仔細地探索上面是否有氧以及其他和生命有關的證據。

不過，“開普勒”找到的結果也有可能走向另一個極端。如果最終發現的類地行星非常罕見，那將意味著地球可能的確非常稀罕，是宇宙中的一個特例，而要探測更遙遠類地行星的計劃，不但在技術上還存在很大的障礙，而且也需要花很長的時間。

無論“開普勒”發現了什么，都將會使得太陽系外行星探測進入一個新紀元。