有跡象表明開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的燃料即將耗盡，NASA已經(jīng)將開(kāi)普勒調(diào)整成休眠狀態(tài)，并開(kāi)始下載最近一個(gè)觀測(cè)周期的科學(xué)數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，新一代的接替者“苔絲”也已經(jīng)進(jìn)入預(yù)定軌道。

南方周末特約撰稿 鞠強(qiáng)

在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，我們所知道的行星都位于太陽(yáng)系中。直到20世紀(jì)90年代開(kāi)始，天文學(xué)家才真正開(kāi)始系統(tǒng)地對(duì)太陽(yáng)系外的行星進(jìn)行搜尋。2009年，開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡（Kepler Spacecraft）發(fā)射升空，我們對(duì)系外行星的探索隨之進(jìn)入新的紀(jì)元。

這段探索的故事激動(dòng)人心，卻也不可避免地要迎來(lái)結(jié)束的一刻。2018年7月7日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在官方網(wǎng)站上發(fā)布消息，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡因?yàn)槿剂想S時(shí)可能耗盡，已經(jīng)暫停觀測(cè)工作，把此前獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)傳回地球是當(dāng)前的首要任務(wù)。這可能預(yù)示著有史以來(lái)最成功的系外行星探測(cè)器即將功成身退。不過(guò)，我們也不必為系外行星未來(lái)的研究前景感到擔(dān)憂，因?yàn)殚_(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的接班者“苔絲”（TESS）已經(jīng)在2018年4月發(fā)射升空并成功入軌。如同天文學(xué)中的其他很多領(lǐng)域一樣，在搜尋系外行星的路上，一代代科學(xué)家和他們的探測(cè)器正前赴后繼。

燃料不足

7月初，NASA的開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)就發(fā)現(xiàn)，有跡象表明開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的燃料即將耗盡。望遠(yuǎn)鏡上并沒(méi)有類似汽車油表的裝置來(lái)顯示剩余燃料的百分比，因此科學(xué)家只能通過(guò)望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)對(duì)燃料余量進(jìn)行推測(cè)。他們已經(jīng)根據(jù)這個(gè)跡象將望遠(yuǎn)鏡調(diào)整成休眠狀態(tài)，從而節(jié)省燃料，并用這些寶貴的燃料來(lái)下載開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡在最近的一個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)收集到的科學(xué)數(shù)據(jù)。一旦數(shù)據(jù)下載完成，且開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡仍然還有燃料，那么它將使用剩余燃料開(kāi)始下一個(gè)觀測(cè)周期。

目前等待下載數(shù)據(jù)的這個(gè)觀測(cè)周期是開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的延伸任務(wù)“K2”中的第18個(gè)觀測(cè)周期，而這個(gè)延伸任務(wù)的由來(lái)與開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)生過(guò)的重大故障有關(guān)。2009年3月7日，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡由德?tīng)査?型火箭搭載，在美國(guó)卡納維拉爾角發(fā)射中心發(fā)射升空。它最初計(jì)劃在太空中工作3年半的時(shí)間，但是由于數(shù)據(jù)受到噪聲的影響超出預(yù)期，因此在2012年，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃把任務(wù)延長(zhǎng)到2016年，從而完成預(yù)定的目標(biāo)。

隨后發(fā)生的一連串事件卻使這個(gè)計(jì)劃不得不擱淺。2012年7月14日，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡用于調(diào)整方向的4個(gè)動(dòng)量輪中的一個(gè)發(fā)生了故障。這時(shí)其余3個(gè)都必須正常工作，任務(wù)才能繼續(xù)進(jìn)行。但是禍不單行，2013年5月11日，又一個(gè)動(dòng)量輪發(fā)生了故障。當(dāng)年8月15日，NASA宣布無(wú)法修復(fù)發(fā)生故障的2個(gè)動(dòng)量輪。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)天空中的特定區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，因此兩個(gè)動(dòng)量輪發(fā)生故障后，望遠(yuǎn)鏡無(wú)法再繼續(xù)保持精確的指向。這樣一來(lái)，原定的觀測(cè)計(jì)劃已經(jīng)肯定無(wú)法完成，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)必須拿出新的方案。

結(jié)果，科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)非常巧妙的方案，利用微弱的光壓幫助開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡調(diào)整位置，這樣它就可以以掃描模式對(duì)小而暗淡的紅矮星周圍的宜居行星進(jìn)行搜尋。這個(gè)延伸任務(wù)被稱作“K2”。但是由于光壓會(huì)受到季節(jié)的影響，因此每隔一段時(shí)間，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡還是要用剩余不多的燃料對(duì)運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，才能繼續(xù)工作，由此也就加速了燃料的耗盡。兩次調(diào)整之間的間隔就是一個(gè)觀測(cè)周期。

傳輸數(shù)據(jù)也非易事。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡必須把巨大的天線對(duì)準(zhǔn)地球才能將數(shù)據(jù)傳回地球，同時(shí)接收數(shù)據(jù)的深空網(wǎng)絡(luò)（Deep Space Network）由于服務(wù)于多個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目，因此數(shù)據(jù)傳輸必須是在分配給開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，這個(gè)時(shí)間目前預(yù)計(jì)是在8月初。在此之前，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡都將保持穩(wěn)定并將處于燃料零消耗的安全模式中。8月2日，團(tuán)隊(duì)將會(huì)喚醒望遠(yuǎn)鏡并將它調(diào)整好方向，開(kāi)始數(shù)據(jù)下行。姿態(tài)調(diào)整和數(shù)據(jù)傳輸大概需要幾天的時(shí)間。如果一切順利的話，團(tuán)隊(duì)有望在8月6日開(kāi)始用剩余燃料啟動(dòng)第19個(gè)觀測(cè)周期。

早在2018年5月，在開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡完成“K2”的第17期觀測(cè)后，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)收到了燃料不足的預(yù)警。當(dāng)時(shí)他們努力使開(kāi)普勒收集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)傳回地球，隨后發(fā)現(xiàn)開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡還有剩余燃料。5月12日，開(kāi)普勒開(kāi)始第18個(gè)觀測(cè)周期，目標(biāo)是巨蟹座中的一小塊天區(qū)。早在2015年，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡就曾對(duì)這一天區(qū)進(jìn)行過(guò)研究。第二次觀測(cè)這一天區(qū)獲得的數(shù)據(jù)將幫助天文學(xué)家確認(rèn)一些此前發(fā)現(xiàn)的系外行星候選者，同時(shí)嘗試發(fā)現(xiàn)新的系外行星。對(duì)于研究團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)務(wù)之急就是把這些數(shù)據(jù)傳輸回地球。

不負(fù)眾望

在工作周期的尾聲，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡還在源源不斷地收集并傳回?cái)?shù)據(jù)，這令研究團(tuán)隊(duì)和所有從事系外行星研究的天文學(xué)家既不舍又欣慰?；仡欓_(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡此前的成果，可謂功勛卓著。這臺(tái)以提出行星運(yùn)動(dòng)三大定律的德國(guó)天文學(xué)家約翰尼斯·開(kāi)普勒（Johannes Kepler）的名字命名的太空望遠(yuǎn)鏡，設(shè)計(jì)目標(biāo)是尋找圍繞其他恒星運(yùn)行且與地球大小接近的行星。進(jìn)入太空后，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡定位在地日系統(tǒng)的第二拉格朗日點(diǎn)上，用攜帶的高精度光度計(jì)對(duì)目標(biāo)天區(qū)內(nèi)的14.5萬(wàn)顆主序恒星進(jìn)行連續(xù)的精密觀測(cè)，以搜尋系外行星。

太空探索計(jì)劃一般都花費(fèi)不菲，但與獲得的成果相比，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡算是“物美價(jià)廉”的一個(gè)。它的花費(fèi)在6.4億萬(wàn)美元左右，屬于NASA的“發(fā)現(xiàn)計(jì)劃”（Discovery Program）中的一項(xiàng)，這是一系列成本較低的空間科學(xué)任務(wù)，另外還包括2018年5月5日剛剛發(fā)射的洞察號(hào)火星探測(cè)器（InSight）等。與此相比，NASA另一個(gè)著名的項(xiàng)目“新邊界”（New Frontiers program）計(jì)劃的花費(fèi)則較高，其中包括探索冥王星的新視野號(hào)（New Horizons）和探索木星的朱諾號(hào)（Juno）。

雖然觀測(cè)任務(wù)并非一帆風(fēng)順，但是開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡還是對(duì)我們認(rèn)識(shí)系外行星帶來(lái)了革命性影響，堪稱研究系外行星的一把利器。即使在發(fā)生嚴(yán)重故障后，科學(xué)家仍可以對(duì)此前4年觀測(cè)期內(nèi)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以獲得新的發(fā)現(xiàn)。比如2015年1月6日，NASA就宣布了由開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的第1000顆系外行星。2015年7月23日，NASA召開(kāi)的新聞發(fā)布會(huì)因?yàn)闀?huì)前對(duì)“大新聞”的預(yù)告而引起天文學(xué)界的廣泛關(guān)注。會(huì)上，NASA宣布發(fā)現(xiàn)了有“另一顆地球”之稱的系外行星Kepler 452b。這顆系外行星位于天鵝座，距離地球1400光年，公轉(zhuǎn)周期大約為385天，和地球的公轉(zhuǎn)周期比較接近。它圍繞著一顆主序恒星運(yùn)行，與恒星位置適中，處于所在系統(tǒng)的宜居帶（距離恒星距離合適，溫度適宜，允許液態(tài)水在行星表面存在）中。生命被認(rèn)為最有可能出現(xiàn)在位于宜居帶的行星上，地球就處于太陽(yáng)系的宜居帶內(nèi)。

開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)一邊在利用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，另一邊也在對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并不斷公布新的發(fā)現(xiàn)。就在2018年6月28日，該團(tuán)隊(duì)還在arXiv網(wǎng)站上發(fā)表論文，公布了根據(jù)“K2”的第10個(gè)觀測(cè)周期的數(shù)據(jù)獲得確認(rèn)的44顆系外行星。

截至2018年7月9日，天文學(xué)家一共確認(rèn)在2842個(gè)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了3801顆系外行星，其中有633個(gè)系統(tǒng)中包含2顆或2顆以上的系外行星。在這之中，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡就發(fā)現(xiàn)了2650顆。更重要的是，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡還在不同系統(tǒng)的宜居帶中發(fā)現(xiàn)了30顆體積不大于地球體積2倍的系外行星，它們成為“另一個(gè)地球”最有力的候選者。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析仍在進(jìn)行中，因此這些數(shù)字最終肯定還會(huì)繼續(xù)增加。

接班在即

開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的任務(wù)即將畫(huà)上句號(hào)，而接過(guò)接力棒的下一代系外行星探測(cè)器也已經(jīng)就位。2018年4月18日，新一代“行星獵手”——凌日系外行星巡天衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite），也就是“苔絲”（TESS），已經(jīng)由美國(guó)太空探索公司（SpaceX）的獵鷹9號(hào)火箭發(fā)射升空。

“苔絲”在成功發(fā)射后，經(jīng)歷了11次變軌和1次月球彈弓效應(yīng)，最終進(jìn)入預(yù)定軌道。“苔絲”的軌道是一個(gè)特別的大扁率橢圓軌道，近地點(diǎn)大約是108000千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)為375000千米。在軌運(yùn)行過(guò)程中，“苔絲”會(huì)有近距離接近地球的時(shí)段，這樣它就可以比開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡更高效地傳送觀測(cè)數(shù)據(jù)。

“苔絲”計(jì)劃工作兩年，隨后會(huì)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行延長(zhǎng)。在最初的兩年時(shí)間里，“苔絲”會(huì)在第一年對(duì)南天球進(jìn)行掃描，在第兩年對(duì)北天球進(jìn)行掃描。在掃描過(guò)程中，“苔絲”將把天球分成26塊，每一塊的觀測(cè)周期是27.4天。事實(shí)上，“苔絲”觀測(cè)覆蓋的天區(qū)面積占到整個(gè)天區(qū)面積的85%，這個(gè)數(shù)字是開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天區(qū)面積的400倍。

除了觀測(cè)范圍不同外，“苔絲”與開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡搜索的系外行星類型也有不同。對(duì)于開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的大量系外行星，科學(xué)家并不知道它們的質(zhì)量。它們距離地球太遠(yuǎn)，超出了目前地基望遠(yuǎn)鏡測(cè)量的限度。與此相比，“苔絲”計(jì)劃觀測(cè)的系外行星距離地球更近，也更加明亮，這樣它們就在地基望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力之內(nèi)。如果天文學(xué)家可以測(cè)量這些系外行星的大小和質(zhì)量的話，他們就能知道這些行星的密度，從而了解它們是像地球一樣的巖質(zhì)行星還是像木星那樣的氣體行星。

天文學(xué)家使用多種方法尋找和研究系外行星，包括視向速度法、凌日法、直接成像法和微引力透鏡法等，這主要取決于系外行星的距離和所在系統(tǒng)的恒星性質(zhì)。由于系外行星的亮度與恒星相比太低，比如太陽(yáng)的亮度是太陽(yáng)系內(nèi)任何行星亮度的10億倍，因此想直接觀測(cè)到一顆系外行星會(huì)極其困難，所以天文學(xué)家只能尋找一些間接方法。

開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡和“苔絲”使用的都是其中的凌日法，我們從“苔絲”的全名中就可以知道這一點(diǎn)。當(dāng)一顆行星在恒星前穿過(guò)的時(shí)候，由于行星的遮擋，觀測(cè)到的恒星光度會(huì)有一個(gè)微量的降低，降低的比例取決于恒星與行星尺寸的相對(duì)大?。狠^大值可以超過(guò)1%，而像地球在太陽(yáng)之前穿行引起的光變量大約只有0.008%。凌日法的優(yōu)勢(shì)就是可以通過(guò)光變量確定行星的大小。例如，前面提到的Kepler 452b就是通過(guò)凌日法發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)測(cè)得它的體積大約比地球大60%。

“苔絲”的目標(biāo)是在觀測(cè)周期內(nèi)通過(guò)凌日法對(duì)太陽(yáng)附近亮度最高的20萬(wàn)顆恒星進(jìn)行巡視，以尋找發(fā)生凌日現(xiàn)象的行星。“苔絲”團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家希望能夠發(fā)現(xiàn)超過(guò)20000顆系外行星，而在這些系外行星中，科學(xué)家認(rèn)為將有300顆的尺寸與地球相當(dāng)，或者不超過(guò)地球體積的2倍。這些系外行星將為其他的研究提供重要的目標(biāo)，比如目前預(yù)計(jì)于2021年3月發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）。強(qiáng)大的觀測(cè)能力使它得以對(duì)這些系外行星進(jìn)行更加細(xì)致的觀測(cè)，例如了解它們的大氣組成，以確定是否存在生命以及是否適宜生命生存等。

1609年，當(dāng)伽利略第一次使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)木星的時(shí)候，他沒(méi)有料想到會(huì)發(fā)現(xiàn)4顆以他名字命名的木星衛(wèi)星，更不會(huì)想到一場(chǎng)影響深遠(yuǎn)的天文學(xué)革命已然爆發(fā)。整整4個(gè)世紀(jì)后，開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空。從這一年開(kāi)始，行星獵手前赴后繼，書(shū)寫(xiě)了一段段探索宇宙的傳奇故事。因此，當(dāng)我們或者我們的后輩在未來(lái)回憶起2009年的時(shí)候，或許會(huì)覺(jué)得它和1609年有著一樣的分量。