諸葛士元

“開(kāi)普勒”空間望遠(yuǎn)鏡是如何尋找這些系外類(lèi)地行星的呢？

尋找系外類(lèi)地行星的“開(kāi)普勒”又立新功。

2015年7月24日，美國(guó)航空航天局宣布，其“開(kāi)普勒”空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了迄今為止與地球最為相似的太陽(yáng)系外行星——開(kāi)普勒-452b。目前，人類(lèi)已知的大部分類(lèi)系外地行星都是由“類(lèi)地行星神探”——“開(kāi)普勒”空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的，它已發(fā)現(xiàn)了4696個(gè)系外行星候選者，確認(rèn)了1030顆系外行星，其中有12顆宜居帶內(nèi)的系外行星直徑介于地球的1～2倍之間，它們都有可能與地球相似。

那么，“開(kāi)普勒”空間望遠(yuǎn)鏡是如何尋找這些系外類(lèi)地行星的呢？

那么多姓“開(kāi)普勒”的星

現(xiàn)在，人類(lèi)已找到了三類(lèi)太陽(yáng)系外行星——?dú)怏w巨星、短周期軌道上熾熱的超級(jí)地球和冰巨星。

所謂類(lèi)地行星簡(jiǎn)單地說(shuō)類(lèi)似于地球的行星，它由巖石構(gòu)成，圍繞像太陽(yáng)的恒星運(yùn)行，可能孕育著生命，因而具有研究意義。比如，大小為地球的一半到兩倍之間的行星，尤其是那些在恒星周?chē)囊司訋У男行?，在該區(qū)域運(yùn)行的行星表面很可能有液態(tài)水的存在。

長(zhǎng)期以來(lái)，人類(lèi)一直在通過(guò)各種辦法在太陽(yáng)系外尋找類(lèi)似地球的行星。但其面臨的一大困難就是缺乏觀測(cè)手段，因?yàn)樵陬?lèi)似太陽(yáng)系的遙遠(yuǎn)星系中，恒星和行星的距離往往較近，恒星發(fā)出的強(qiáng)烈光芒會(huì)掩蓋行星，使地球上的天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)不到。

其實(shí)，早在2009年3月3日以前，人類(lèi)就已發(fā)現(xiàn)了342顆太陽(yáng)系外行星，不過(guò)其中絕大多數(shù)屬于類(lèi)木行星，它們體積比較大，表面是氣體，據(jù)信其中沒(méi)有一顆適于生命存在。這樣的結(jié)果主要是由于當(dāng)時(shí)的探測(cè)方式和技術(shù)水平?jīng)Q定的，但并不能說(shuō)明太陽(yáng)系外不存在類(lèi)地行星或有生命存在且與地球大小相當(dāng)?shù)男行恰?/p>

2009年3月6日，美國(guó)發(fā)射了世界第一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于尋找太陽(yáng)系外類(lèi)地行星的空間望遠(yuǎn)鏡——“開(kāi)普勒”。其“絕活”是攜帶了全球體積最大的光度計(jì)到太空中去，該裝置能幫助搜尋太陽(yáng)系外類(lèi)地行星。

“開(kāi)普勒”的任務(wù)是尋找與地球相似的星球，解答“地球是不是孤獨(dú)的”的這個(gè)人類(lèi)亙古以來(lái)就面臨的難題。我們想要知道銀河系中是否有宜居帶或者其附近的數(shù)百個(gè)地球大小和比地球小的行星，即恒星宜居帶中不太冷、不太熱、存在液態(tài)水的行星，我們希望確定銀河系的數(shù)千億恒星的一部分中可能擁有這種行星。簡(jiǎn)單地說(shuō)，“開(kāi)普勒”就是要找到宇宙中生命有可能存在的地方，從而改變?nèi)祟?lèi)對(duì)宇宙的看法，有望從根本上改變?nèi)祟?lèi)對(duì)自身的認(rèn)識(shí)。

找到宜居行星只是尋找外星生命的第一步。如果發(fā)現(xiàn)許多類(lèi)地行星，就意味著生命可能在銀河系內(nèi)普遍存在;如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)或發(fā)現(xiàn)很少的類(lèi)地行星，則表明地球可能是唯一的生命站。當(dāng)時(shí)專(zhuān)家預(yù)計(jì)，“開(kāi)普勒”可發(fā)現(xiàn)50顆以上的類(lèi)地行星。

其實(shí)，單就開(kāi)普勒-452b來(lái)說(shuō)，它不是最像地球的太陽(yáng)系外行星，因?yàn)?014年宣布發(fā)現(xiàn)的開(kāi)普勒186f，半徑是地球的1.17倍，2015年年初宣布發(fā)現(xiàn)的開(kāi)普勒-438b，半徑更是只有地球的1.12倍。這2顆行星都處在各自恒星的宜居帶內(nèi)，也都比開(kāi)普勒-452b更接近于地球的大小。只不過(guò)，這2顆行星所環(huán)繞的恒星都要比太陽(yáng)小得多，也暗得多。而開(kāi)普勒-452b所環(huán)繞的恒星非常類(lèi)似于太陽(yáng)。因此，如果把恒星也考慮進(jìn)來(lái)的話(huà)，開(kāi)普勒-452b確實(shí)稱(chēng)得上是“另一個(gè)地球”。

當(dāng)然，“開(kāi)普勒”的主要目標(biāo)并不是要尋找“另一個(gè)地球”，而是通過(guò)這種抽樣調(diào)查的方式，幫天文學(xué)家更好地了解地球這樣的宜居行星在整個(gè)銀河系當(dāng)中到底有多么普遍。開(kāi)普勒-452b就像比地球大的遠(yuǎn)房親戚，研究它有助于科學(xué)家理解地球的進(jìn)化環(huán)境，預(yù)見(jiàn)地球的未來(lái)。

由于“開(kāi)普勒”成就顯著，2013年4月，美國(guó)航空航天局宣布，將“開(kāi)普勒”原定3年半的任務(wù)期延長(zhǎng)至2016年。但在2013年5月14日，“開(kāi)普勒”空間望遠(yuǎn)鏡的1個(gè)反作用飛輪壞了，再加上2012年壞的1個(gè)反作用飛輪，其4個(gè)用于姿態(tài)控制的反作用飛輪已壞了2個(gè)，所以無(wú)法繼續(xù)提供精確的定位，完成搜尋使命。

在經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)月的努力后，美國(guó)航空航天局于2013年8月15日宣布放棄修復(fù)“開(kāi)普勒”。不過(guò)，2014年，“開(kāi)普勒”團(tuán)隊(duì)用太陽(yáng)光子產(chǎn)生的壓力作為一個(gè)虛擬反應(yīng)輪，成功重新控制了望遠(yuǎn)鏡并使其“復(fù)活”，而其在重獲“新生”后再建新功。未來(lái)，美國(guó)將發(fā)射“太陽(yáng)系外行星獵人”來(lái)接替“開(kāi)普勒”，完成尋找系外行星的任務(wù)。

如何發(fā)現(xiàn)表兄

太陽(yáng)系外有多少個(gè)地球？直到現(xiàn)在也幾乎沒(méi)有答案，原因就在于目前的天文觀測(cè)還不足以探測(cè)到這些“特殊”的行星。

目前，探測(cè)太陽(yáng)系外行星常用方法有幾種。“開(kāi)普勒”采用的是測(cè)量“凌星”的方法。

當(dāng)行星從其母恒星前飛過(guò)時(shí)會(huì)阻擋了一部分恒星的光，即出現(xiàn)行星“凌星”現(xiàn)象，這樣就可確定這顆母恒星周?chē)嬖诘男行牵⒏鶕?jù)“凌星”的間隔和亮度等確定行星的軌道、溫度和大小等。這就像人們看到遠(yuǎn)處有一輛亮著大燈的汽車(chē)，當(dāng)一只小蟲(chóng)從汽車(chē)前經(jīng)過(guò)時(shí)，可通過(guò)光線(xiàn)變化推斷蟲(chóng)子的大小。四是測(cè)量速度。它是沿著觀測(cè)者和目標(biāo)恒星之間的矢徑測(cè)量恒星速度，因?yàn)楹阈堑摹耙曄蛩俣取睍?huì)因圍繞其運(yùn)動(dòng)的行星而變化。

以前，大部分的太陽(yáng)系外行星是通過(guò)測(cè)量“視向速度”法，即測(cè)量速度法來(lái)發(fā)現(xiàn)的，根據(jù)多普勒效應(yīng)，恒星的“視向速度”可以從恒星光譜線(xiàn)的移動(dòng)推導(dǎo)出來(lái)。這種方法很有可能發(fā)現(xiàn)靠近其恒星的大行星，然而它對(duì)于和地球質(zhì)量相仿的低質(zhì)量行星并不敏感。

在當(dāng)今，用測(cè)量“凌星”法更適合發(fā)現(xiàn)像地球大小的星體。

嚴(yán)格地講，“開(kāi)普勒”并不是世界第一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于尋找太陽(yáng)系外類(lèi)地行星的空間望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)闅W洲在2006年12月27日發(fā)射的 “科羅”空間望遠(yuǎn)鏡也是用測(cè)量“凌星”的辦法來(lái)探測(cè)太陽(yáng)系外行星的。但是“開(kāi)普勒”要比“科羅”空間望遠(yuǎn)鏡先進(jìn)得多，成果也多得多，所以，美國(guó)自稱(chēng)“開(kāi)普勒”是世界第一。

由于“開(kāi)普勒”是圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的，而“科羅”是繞地球運(yùn)行的，這意味著“開(kāi)普勒”能有更多的時(shí)間搜尋目標(biāo)星球的“芳蹤”。與“科羅”衛(wèi)星相比，“開(kāi)普勒”可以在3年半的時(shí)間里不間斷地觀測(cè)同一片天區(qū)。而“科羅”由于是圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此地球會(huì)經(jīng)常遮擋住它的視線(xiàn);同時(shí)為了避免陽(yáng)光對(duì)觀測(cè)的影響，因此“科羅”對(duì)同一片天區(qū)的最長(zhǎng)連續(xù)觀測(cè)時(shí)間只有5個(gè)月。另外，“開(kāi)普勒”也比“科羅”靈敏得多，因?yàn)槠涔舛扔?jì)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。

“開(kāi)普勒”探測(cè)系外行星的秘訣是：從地球方向上看，當(dāng)恒星系統(tǒng)中的行星運(yùn)行到“開(kāi)普勒”與恒星之間時(shí)，由于行星遮擋了一部分恒星發(fā)出的光，所以會(huì)使“開(kāi)普勒”光度計(jì)接收到的恒星亮度會(huì)變?nèi)?，變化范圍大約是5×10-5～40×10-5，連續(xù)大約2～16小時(shí)?！伴_(kāi)普勒”就是這樣根據(jù)一顆恒星亮度的周期性微弱變化，來(lái)判斷其周?chē)赡艽嬖谛行恰?/p>

通過(guò)測(cè)量“凌星”行星的公轉(zhuǎn)周期，利用開(kāi)普勒第三定律——所有的行星的軌道的半長(zhǎng)軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等，就可大致計(jì)算出行星軌道大小。

行星越大，遮擋的光線(xiàn)就越多，所以通過(guò)觀測(cè)到“凌星”的深度（恒星亮度減弱的程度），即掌握光線(xiàn)變暗的程度，就可計(jì)算出行星的大小。

人類(lèi)的專(zhuān)職星探

不過(guò)，每顆行星需要至少觀測(cè)到3次“凌星”現(xiàn)象才能確定其軌道周期，并確定光線(xiàn)變暗不是由其他某種現(xiàn)象（比如該恒星上的耀斑）造成的。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;而軌道周期很長(zhǎng)（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(guò)近或過(guò)遠(yuǎn)會(huì)使行星上過(guò)熱或過(guò)冷，無(wú)法支持生命的出現(xiàn)。

“開(kāi)普勒”探測(cè)到的亮度微弱變化可以小到百萬(wàn)分之十左右。同時(shí)，在了解了恒星的運(yùn)行軌道大小和溫度的基礎(chǔ)上，可計(jì)算出行星特定的溫度。對(duì)這些基本情況的了解能告訴人們某顆行星是否具有宜居性。

雖然這一技術(shù)方法在1999年前就被科學(xué)家采用了，并幫助了天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了300多顆較大的行星，但“開(kāi)普勒”空間望遠(yuǎn)鏡的特點(diǎn)是把目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)更小的行星，即像地球一般大的宜居住行星，它們都圍繞其母恒星運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于能長(zhǎng)時(shí)間地監(jiān)測(cè)目標(biāo)，所以“開(kāi)普勒”至少能看到3次軌道周期為一年的行星“凌星”。這是嚴(yán)格確認(rèn)這些周期性事件所需的最少觀測(cè)次數(shù)，由此可排除諸如恒星亮度自身漲落等干擾因素，證實(shí)星斑干擾的周期性和規(guī)律性。

耗資近6億美元的“開(kāi)普勒”空間望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)壽命3.5年，探測(cè)銀河系內(nèi)的天鵝星座與天琴星座之間的一小塊天區(qū)（10°角寬約20個(gè)滿(mǎn)月的宇宙空間），通過(guò)檢測(cè)其間10萬(wàn)多顆像太陽(yáng)一樣的恒星（其距離在586.8～2999.2光年之間）每半個(gè)小時(shí)的亮度變化，研究行星穿越其恒星面前時(shí)產(chǎn)生的“穿越”現(xiàn)象，就能有望尋找到圍繞這些恒星周?chē)念?lèi)地行星跡象，并描述它們的特征。

之所以把觀測(cè)區(qū)域選擇在銀河系中的天鵝座和天琴座一帶，是因?yàn)樘禊Z座距離地球軌道（黃道）北部很遠(yuǎn)，太陽(yáng)不會(huì)干擾“開(kāi)普勒”的視線(xiàn)，有利于連續(xù)觀測(cè)。此外，它也是銀河系中擁有大量恒星的一個(gè)區(qū)域。

為了保證有效觀測(cè)，“開(kāi)普勒”在上天的第一年跟蹤了17萬(wàn)顆恒星，隨后慢慢將范圍縮至10萬(wàn)顆。具體方法就是當(dāng)行星從恒星和“開(kāi)普勒”中間飛過(guò)時(shí)，“開(kāi)普勒”利用類(lèi)似數(shù)碼相機(jī)一樣光度計(jì)來(lái)觀察恒星的亮度發(fā)生的輕微變化。這有助于人類(lèi)了解銀河系中到底存在多少顆跟地球體積一樣的行星，對(duì)未來(lái)的太空任務(wù)也很重要。由于行星“凌星”現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間并不長(zhǎng)，眾多的恒星又必須同時(shí)觀察，這就要求所有受觀測(cè)恒星的亮度每隔數(shù)小時(shí)就必須測(cè)量一次。

為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)的觀測(cè)，“開(kāi)普勒”上的光度計(jì)視場(chǎng)要在黃道平面之外，這樣才能不被太陽(yáng)或月球周期性的遮擋。所以，該空間望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行在與地球相同、與地球同速繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道上，能避開(kāi)太陽(yáng)的遮擋。其一個(gè)軌道周期約為372.5天是尾隨地球的一條日心軌道，即地球拖尾日心軌道。在這條軌道上，“開(kāi)普勒”緩慢駛離地球，4年后距離地球0.5天文單位（1個(gè)天文單位=149598000 千米），從而能在整個(gè)任務(wù)期間一直對(duì)相同恒星進(jìn)行觀察，尋找大小與地球相仿、處在可支持生命的軌道區(qū)域內(nèi)的行星，最大可能地避開(kāi)太陽(yáng)、地球以及月球的干擾，不存在因重力梯度、磁矩或大氣阻力而產(chǎn)生的力矩來(lái)干擾空間望遠(yuǎn)鏡，因而能保持非常穩(wěn)定的指向姿態(tài)，還避免了與地球軌道相關(guān)的高輻射量（但偶爾也會(huì)遭受太陽(yáng)耀斑的輻射）。

這一優(yōu)勢(shì)使包括“哈勃”再內(nèi)的其他天文衛(wèi)星望塵莫及，有可能揭開(kāi)一些“特殊”行星的面紗。

“哈勃”不能用于尋找類(lèi)地行星，一是因?yàn)槠湟晥?chǎng)太小，無(wú)法用于觀測(cè)大量亮度較高的恒星，僅相當(dāng)于人們?cè)谑直坶L(zhǎng)的距離看到一粒鹽大小的面積。二是“哈勃”主要用于幫助整個(gè)天文學(xué)界解答數(shù)千個(gè)疑問(wèn)，所以不能對(duì)恒星亮度進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，要想知道凌星會(huì)在何時(shí)發(fā)生，必須連續(xù)關(guān)注4年才行。三是“哈勃”并沒(méi)有安裝專(zhuān)用光度計(jì)，無(wú)法同時(shí)對(duì)10萬(wàn)多顆恒星進(jìn)行觀測(cè)并且要達(dá)到所要求的精確度。