□ 蔣 迅

到現(xiàn)在，已經(jīng)沒(méi)有人懷疑開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的成就了。到2012年11月，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡開(kāi)機(jī)三年半，完成了預(yù)定的目標(biāo)，轉(zhuǎn)而開(kāi)始執(zhí)行下一個(gè)四年的探索計(jì)劃。開(kāi)普勒小組宣布了新一批超過(guò)一千顆新發(fā)現(xiàn)的系外行星候選體，從而讓疑似系外行星的候選體目標(biāo)總數(shù)達(dá)到了2321顆。但是，這個(gè)項(xiàng)目在申請(qǐng)立項(xiàng)時(shí)連續(xù)四次被拒，從1997年最初提出申請(qǐng)到最后2009年發(fā)射經(jīng)歷了十多年的時(shí)間。

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的基本思想其實(shí)很簡(jiǎn)單。讓我們先用日食來(lái)比喻。當(dāng)月球飛到地球和太陽(yáng)之間時(shí)，太陽(yáng)的部分光線被擋住，到達(dá)地球的陽(yáng)光就減少，這就是日食。有時(shí)月球把整個(gè)太陽(yáng)都擋住了，地球上就會(huì)一片漆黑，這就是日全食。在太陽(yáng)系中還有金星凌日現(xiàn)象。同樣的，當(dāng)一顆地外行星飛過(guò)自己所環(huán)繞的恒星而處于地球和這顆恒星之間時(shí)，到達(dá)地球的光線也會(huì)減少。雖然這要求地球必須在地外行星軌道的平面上，但是由于有大量的恒星可以觀測(cè)，人們可以樂(lè)觀地認(rèn)為可以捕捉到帶有行星的恒星，條件是有很多恒星事實(shí)上是有自己的行星，甚至有適合生命的行星。如果我們有辦法能檢測(cè)到這樣由于行星而造成的光線減弱的話，那我們就能證實(shí)地外行星的存在了。這個(gè)思想早在1971年由計(jì)算機(jī)科學(xué)家弗蘭克·羅森布拉特提出。他認(rèn)為，可以在地面上設(shè)立三個(gè)裝置了感光耦合元件 (CCD) 的小型望遠(yuǎn)鏡來(lái)同時(shí)觀測(cè)大量的星星。如果三架望遠(yuǎn)鏡都觀測(cè)到某個(gè)恒星的微小亮度減弱的話，那我們就可以猜猜那里有行星存在了。特別遺憾的是，羅森布拉特當(dāng)年晚些時(shí)候就在一次意外事故中身亡。他沒(méi)有來(lái)的及去傳播他的這個(gè)思想。直到1984年，美航宇局科學(xué)家威廉·博魯茨基和奧黛麗·薩默斯又重新研究了這個(gè)思想。他們認(rèn)為，地外行星的凌日現(xiàn)象可以被高精度的測(cè)光儀器檢測(cè)到，而且可以把大口徑的望遠(yuǎn)鏡設(shè)在太空中來(lái)避免很多在地面上不得不面對(duì)的麻煩。他們沒(méi)有想到的是，他們必須用16年的時(shí)間來(lái)證明這個(gè)思想是正確的。

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡以凌日法發(fā)現(xiàn)的“開(kāi)普勒”9星系

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)許多類地行星

雖然開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的基本思想很簡(jiǎn)單，但是實(shí)踐起來(lái)其實(shí)極其困難。原因就在于它的精度要求實(shí)在太高了。它的高精度是個(gè)什么概念呢？假定我們要找的是一個(gè)地球大小的圍繞著我們的太陽(yáng)大小的恒星的行星，而且這顆恒星距離我們有數(shù)光年之遙。那么這顆地外行星凌日事件所產(chǎn)生的恒星亮度減弱不到萬(wàn)分之一。因此，必須能識(shí)別萬(wàn)分之一以下的變化。好在在羅森布拉特提出用CCD技術(shù)之后的二十多年里，CCD技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。人們可以真的嘗試這個(gè)思路。1987年，博魯茨基和他的團(tuán)隊(duì)在美國(guó)航宇局和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所舉辦的一次研討會(huì)上介紹了他們開(kāi)發(fā)高精度光度計(jì)的工作。此后，他們制造了幾個(gè)不同的樣機(jī)用于證實(shí)他們的思路。

1992年，當(dāng)美國(guó)航宇局設(shè)立了“探索計(jì)劃”時(shí)，博魯茨基他們第一次提出了他們的項(xiàng)目。他們把這個(gè)項(xiàng)目稱為“地球大小的內(nèi)行星的頻率”(FRESIP)。但是這個(gè)項(xiàng)目被美國(guó)航宇局否決了。雖然他們的項(xiàng)目在科學(xué)價(jià)值上得到了一致好評(píng)，但沒(méi)人相信存在他們所要采用的技術(shù)。

1994年，當(dāng)美國(guó)航宇局再次征集“探索計(jì)劃”的項(xiàng)目時(shí)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)再次遞交了這個(gè)項(xiàng)目。這一次，他們提出把衛(wèi)星放置在一個(gè)拉格朗日點(diǎn)上。理想狀態(tài)下，兩個(gè)同軌道物體以相同的周期旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)天體的萬(wàn)有引力與離心力在拉格朗日點(diǎn)平衡，使得衛(wèi)星與前兩個(gè)物體相對(duì)靜止。當(dāng)然衛(wèi)星在這個(gè)位置上并不能做到完美的平衡，所以必須開(kāi)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)做一些調(diào)整，而發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料都很昂貴。由于預(yù)算超過(guò)了“探索計(jì)劃”允許的限額，美國(guó)航宇局第二次否決了他們的項(xiàng)目。

1996年，這個(gè)團(tuán)隊(duì)第三次提出了他們的項(xiàng)目。為了減少開(kāi)支，他們把衛(wèi)星軌道從拉格朗日點(diǎn)換到了日心軌道上，而且提出了三個(gè)旨在減少開(kāi)支的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，他們把項(xiàng)目改名為“開(kāi)普勒”。這一次，美國(guó)航宇局對(duì)預(yù)算沒(méi)有再提出異議，但對(duì)他們的CCD技術(shù)提出質(zhì)疑。原來(lái)一年前，他們?cè)诠韫纫詵|的利克天文臺(tái) (Lick Observatory) 上已經(jīng)測(cè)試了他們制造的CCD探測(cè)器。他們已經(jīng)得出結(jié)論，用這種探測(cè)器再加上用數(shù)學(xué)公式對(duì)數(shù)據(jù)做系統(tǒng)的修正，他們可以把精度提高到千分之一，從而滿足尋找類地行星的精度要求。但是項(xiàng)目評(píng)審人懷疑他們能否把這個(gè)系統(tǒng)全自動(dòng)化。他們的結(jié)果是對(duì)一個(gè)固定的恒星進(jìn)行的，但數(shù)據(jù)分析不是自動(dòng)完成的。于是當(dāng)面對(duì)數(shù)千個(gè)恒星的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)的數(shù)據(jù)處理就成了關(guān)鍵。“造一個(gè)系統(tǒng)出來(lái)看看”，評(píng)審員寫(xiě)道。

OK，那就造一個(gè)！他們?cè)诶颂煳呐_(tái)就真的造了一個(gè)自動(dòng)光度計(jì)并把數(shù)據(jù)聯(lián)到埃姆斯研究中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上。這樣，從讀取數(shù)據(jù)到分析數(shù)據(jù)，他們有了一個(gè)自動(dòng)的系統(tǒng)。

1988年，美國(guó)航宇局的“探索計(jì)劃”再次征集項(xiàng)目時(shí)，他們第四次提出了這個(gè)項(xiàng)目?，F(xiàn)在他們?cè)诳茖W(xué)上證明了項(xiàng)目的價(jià)值，技術(shù)上證明了項(xiàng)目的能力，數(shù)據(jù)上也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。但該局還是否決了他們的申請(qǐng)，因?yàn)樗麄儭皼](méi)有證明抗干擾的功能”。當(dāng)衛(wèi)星在發(fā)射到了軌道上以后會(huì)有定位抖動(dòng)和恒星變化等干擾，他們必須能在有干擾的情況下仍然保證得到同樣的精度。

可是他們不能在地面天文臺(tái)里做這樣的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榇髿鈱颖旧淼牟▌?dòng)干擾實(shí)在太大了。他們只好設(shè)計(jì)一個(gè)室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備：在一塊鐵板上扎出一些各種尺寸的小洞，從鐵板的后面加一個(gè)燈光源，這樣在鐵板的另一面看上去就像是星空了。實(shí)驗(yàn)時(shí)讓鐵板震動(dòng)起來(lái)以達(dá)到數(shù)據(jù)擾動(dòng)的效果。人造星空是有了，他們還必須在這個(gè)人造星空里能夠讓“星星”的亮度發(fā)生萬(wàn)分之八十四的變化。這也不是輕而易舉的事情。如果用一塊玻璃蓋住小洞的話，亮度只減少百分之八，距離要求還差一千倍。沒(méi)有現(xiàn)成的技術(shù)成果幫助他們。他們只好自己動(dòng)手。經(jīng)過(guò)一番努力，他們終于取得了成功。他們證明了抗干擾的能力。

博魯茨基和同事利用超級(jí)計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)

2000年，他們第五次遞交了申請(qǐng)。2001年，他們的申請(qǐng)終于被批準(zhǔn)了。這時(shí)候距離羅森布拉特提出這個(gè)概念已經(jīng)30年，距離博魯茨基重提這個(gè)概念也已經(jīng)16年，距離他的團(tuán)隊(duì)第一次申請(qǐng)資助也已經(jīng)10年了。又經(jīng)過(guò)8年的時(shí)間，“開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡”發(fā)射升空。這樣一個(gè)曾經(jīng)被認(rèn)為不可思議的項(xiàng)目終于實(shí)現(xiàn)了。隨后的成功證明了這個(gè)思路是正確的。

本文不準(zhǔn)備討論開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡立項(xiàng)以后的事情，雖然那些故事也很精彩。我想說(shuō)的是，為什么“開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡”能有今天。我認(rèn)為有兩個(gè)重要的因素。

第一，多虧了有這樣一位執(zhí)著的人：博魯茨基。

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡在天鵝座和天琴座內(nèi)觀測(cè)的視場(chǎng)

美航宇局科學(xué)家博魯茨基

博魯茨基可以說(shuō)是一個(gè)鐵桿航天迷。他的童年是在威斯康星州的一個(gè)小鎮(zhèn)上長(zhǎng)大的。他自小就對(duì)星空感興趣。至今仍清晰地記得他和伙伴們?cè)谛略碌耐砩蠑?shù)星星。他們一起制造安裝了照相機(jī)的望遠(yuǎn)鏡，然后拍攝星系。在夏天，他們會(huì)騎自行車(chē)到附近的葉凱士天文臺(tái)去用那里的1米望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)天象。大型望遠(yuǎn)鏡能讓他看到自制的土望遠(yuǎn)鏡看不到的東西，但他更陶醉于自己動(dòng)手做。他說(shuō)，“有趣的是按照自己的想法去做，這樣你才能理解它們是如何工作的”。他還會(huì)和小伙伴一起發(fā)射自制的小火箭。那里地廣人稀，火箭落下來(lái)時(shí)唯一可能傷及的是牲畜。每次發(fā)射時(shí)，他們就把當(dāng)?shù)氐男÷窌簳r(shí)封掉?？諘绲拇蟮亟o了他們充分的自由。在學(xué)校里，他是學(xué)?？萍夹〗M的主席。有時(shí)候，他們否決了老師提出的研究題目，然后根據(jù)自己的興趣進(jìn)行科學(xué)研究。小博魯茨基喜歡業(yè)余無(wú)線電發(fā)射，并自己動(dòng)手做電子儀器和天線。他不但想跟世界各地的人聯(lián)系，甚至想跟外星人聯(lián)系。他們決定制造一個(gè)發(fā)射機(jī)去接通UFO。博魯茨基制作了一個(gè)紫外線發(fā)射機(jī)，其他同學(xué)制作了紅外線發(fā)射機(jī)、可見(jiàn)光發(fā)射機(jī)和地磁發(fā)射機(jī)。當(dāng)然他們的實(shí)驗(yàn)最后都沒(méi)有成功，但通過(guò)這些制作，他們鍛煉了動(dòng)手能力和獨(dú)立自主的主動(dòng)性。有時(shí)候，失敗也是一個(gè)人進(jìn)步的必經(jīng)之路。博魯茨基在少年時(shí)代就明白了這個(gè)道理。高中畢業(yè)后，從小喜歡科學(xué)的他進(jìn)入威斯康星大學(xué)學(xué)習(xí)物理。1960年和1962年，他分別獲得了物理學(xué)學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。在找工作的時(shí)候，他只申請(qǐng)了一個(gè)地方：NASA。從此以后一直在NASA工作，參與了包括阿波羅項(xiàng)目在內(nèi)得多個(gè)重要項(xiàng)目。正是在阿波羅項(xiàng)目里，他接觸到了光度測(cè)定。他意識(shí)到這很可能是尋找地外行星的一個(gè)新的方法。此后，他花了十多年的時(shí)間去制作各種光度測(cè)定儀器，終于確信了這個(gè)方法一定能成功。這是“開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡”能有今天的第一個(gè)原因。

第二，有NASA的大力支持。

雖然NASA四次拒絕資助“開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目，但是NASA并不是對(duì)這個(gè)項(xiàng)目一推了之，而是一直在幫助博魯茨基的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造條件，以便讓這個(gè)項(xiàng)目變得更成熟。早在1984年，NASA埃姆斯研究中心就出資舉辦高精確度測(cè)光研討會(huì) 。1988年又舉行了第二次研討會(huì) 。NASA總部出資，讓他們開(kāi)發(fā)和測(cè)試硅光電二極管基礎(chǔ)上的多通道光度計(jì) ，在國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和埃姆斯研究中心進(jìn)行的測(cè)試表明，二極管有非常高的精度，但要減少它的熱噪聲，需要將它冷卻到接近液氮的溫度。以后，NASA總部和埃姆斯研究中心又多次用小項(xiàng)目的方法資助了博魯茨基的團(tuán)隊(duì)，使得他們可以建造概念儀器并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。埃姆斯研究中心提供了超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以便分析數(shù)據(jù)。在第三次否決這個(gè)項(xiàng)目的時(shí)候，NASA總部和埃姆斯研究中心出資讓他們?cè)斐鲆粋€(gè)自動(dòng)光度計(jì)?？梢韵胂?，沒(méi)有NASA的大力資助，“開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡”永遠(yuǎn)是紙上談兵。

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡在銀河系中的探測(cè)范圍

現(xiàn)在，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡仍在默默地工作著。它的工作說(shuō)起來(lái)有些過(guò)于簡(jiǎn)單：每6秒鐘對(duì)同一個(gè)星區(qū)拍照一次。幾年來(lái)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)收集了越來(lái)越多的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)越多，發(fā)現(xiàn)的小行星越多，適于居住的行星也越多。人們就可以回答一個(gè)困擾科學(xué)家很久的問(wèn)題：“有很多適合生命存在的‘地球’嗎”？如果答案是肯定的，那么生命就可能在另一個(gè)行星上存在。因此，人們可以考慮迎接新的挑戰(zhàn)：尋找地外生命。不知道下一個(gè)“博魯茨基”在哪里，不知道下一個(gè)“NASA”在哪里？

相關(guān)鏈接

來(lái)自開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的重要成果

2010年8月，科學(xué)家們首次發(fā)現(xiàn)一顆恒星周?chē)鷵碛?顆以上的行星發(fā)生凌星現(xiàn)象?！伴_(kāi)普勒”9行星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了一扇機(jī)會(huì)之門(mén)，讓科學(xué)家們首次有機(jī)會(huì)通過(guò)觀察其各自凌星時(shí)間的間隔來(lái)研究行星之間的引力相互作用。這項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)讓天文學(xué)家們?cè)诤芏嗲闆r下可以直接借助開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)計(jì)算出這些行星的質(zhì)量，而不再依賴于后續(xù)的地基觀測(cè)。

2011年1月，開(kāi)普勒小組宣布：發(fā)現(xiàn)確認(rèn)無(wú)疑的首顆太陽(yáng)系外巖石行星。這顆名為“開(kāi)普勒”10b的行星質(zhì)量約為地球質(zhì)量的1.4倍，是迄今發(fā)現(xiàn)的直徑和質(zhì)量都最小的系外行星。而來(lái)自開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)仍將不斷揭示越來(lái)越小的系外行星目標(biāo)，其中有一些大小和火星相仿，這告訴我們?cè)阢y河系中小質(zhì)量行星可能是普遍存在的。

2011年2月，科學(xué)家們宣布：利用開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)了“開(kāi)普勒”11行星系統(tǒng)，這是一個(gè)非常擁擠而緊湊的行星系統(tǒng)，其中包括6顆比地球稍大的行星，所有都運(yùn)行于軌道直徑小于金星公轉(zhuǎn)軌道的狹小空間區(qū)域內(nèi)。這些行星系統(tǒng)所展現(xiàn)出的緊湊軌道特征之前從未設(shè)想過(guò)。

2011年9月，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)顯示一個(gè)圍繞兩顆太陽(yáng)運(yùn)行的行星，宛如35年前播出的星球大戰(zhàn)中塔圖因星球的場(chǎng)景，這顆被命名為“開(kāi)普勒”16b行星的發(fā)現(xiàn)讓一度被認(rèn)為是科幻一般的情景成為現(xiàn)實(shí)。自那以后科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了6個(gè)圍繞雙星系統(tǒng)運(yùn)行的系外行星系統(tǒng)，這一事實(shí)證明了一點(diǎn)，那就是行星可以形成于雙星系統(tǒng)周?chē)㈤L(zhǎng)期穩(wěn)定存在。

2011年12月，開(kāi)普勒小組宣布：他們發(fā)現(xiàn)首顆運(yùn)行于宜居帶中的系外行星——“開(kāi)普勒”22b，其質(zhì)量約為地球的2.4倍。這是迄今發(fā)現(xiàn)圍繞一顆類太陽(yáng)恒星運(yùn)行，并位于宜居帶之中的最小行星。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)預(yù)示著，我們距離找到另一顆地球的臨界點(diǎn)正越來(lái)越近。

2012年2月，開(kāi)普勒小組宣布了新一批超過(guò)1000顆新發(fā)現(xiàn)的系外行星候選體，從而讓疑似系外行星的候選體目標(biāo)總數(shù)達(dá)到了2321顆。這些數(shù)據(jù)延續(xù)了科學(xué)家們不斷接近發(fā)現(xiàn)更小、軌道周期更長(zhǎng)的接近地球的系外行星的趨勢(shì)。這項(xiàng)結(jié)果中包括了數(shù)百個(gè)擁有多行星系統(tǒng)的恒星，顯示多行星系統(tǒng)是普遍存在的現(xiàn)象。