“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鏡比地面望遠鏡有明顯的優(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鏡比地面望遠鏡有明顯的優(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)確認了1030顆。那么，開普勒空間望遠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，它由巖石構成，圍繞著像太陽一樣的恒星運行，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星系中，恒星和行星的距離往往較近，所以恒星發(fā)出的強烈光芒會掩蓋行星，使地球上的天文望遠鏡觀測不到。

在開普勒空間望遠鏡發(fā)現(xiàn)的1030顆已經(jīng)證實的系外行星中，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，有可能與地球相似

開普勒：把光度計帶到太空去

其實，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。這樣的結果主要是由于當時的探測方式和技術水平所決定的，并不能說明太陽系外不存在類地行星或與地球大小相當?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。

開普勒的任務是尋找與地球相似的行星，解答“地球是否是孤獨的”這個人類亙古以來就面臨的難題。簡單地說，這項任務就是要找到宇宙中生命有可能存在的地方，從而有可能改變人類對宇宙的看法和對自身的認識。

因此，科學家們把研究重點瞄準恒星宜居帶中是否有與地球大小相當，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，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來的話，開普勒-452b確實稱得上是“另一個地球”。

歐洲科羅號尋找系外行星（來源：ESA）

當然，開普勒的主要目標還是通過抽樣調查的方式，幫助天文學家更好地了解地球這樣的宜居行星在整個銀河系當中到底有多么普遍。研究這些地球的“遠房親戚”，有助于科學家理解地球的演化，并預測地球的未來。

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，當恒星系統(tǒng)中的行星運行到開普勒空間望遠鏡與恒星之間時，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弱，開普勒空間望遠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。科學家根據(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，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”會隨著圍繞其運動的行星而變化。根據(jù)多普勒效應，恒星的“視向速度”可以從恒星光譜線的移動推導出來。這種方法有利于發(fā)現(xiàn)靠近恒星的大行星，然而對于和地球質量相仿的小質量行星，這種方法并不具有優(yōu)勢。

調試光度計上由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。這就像人們看到遠處有一輛亮著大燈的汽車，當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鏡，因為歐洲在2006年12月27日發(fā)射的科羅（COROT）空間望遠鏡也是用測量“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鏡先進，成果也更豐富。

由于開普勒是圍繞太陽運行的，運行軌道與地球軌道基本重合，一個周期約為372天。而科羅是繞地球運行的，這意味著開普勒能有更多的時間搜尋目標星球的“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。這是嚴格確認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，科學家們?yōu)殚_普勒物色了一個“絕佳潛伏地”——開普勒空間望遠鏡運行在與地球相同的軌道上，與地球同速繞太陽運行。

科學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，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)碼相機一樣的光度計，捕捉恒星亮度的細微變化。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陣以待，對所有目標恒星每隔數(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，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數(shù)字探測器組合（總計約9500萬像素）來捕獲繞母星運行的系外行星所引起的細微光線變化。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開普勒。不過，2014年，開普勒團隊用太陽光子產(chǎn)生的壓力作為一個虛擬反應輪，重新控制了望遠鏡并使其“復活”，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。