| 開(kāi)普勒如何尋找“地球兄弟” |
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諸葛士元
新聞背景
7月24日，美國航空航天局宣布，其“開(kāi)普勒”空間望遠鏡發(fā)現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)已知的大部分系外類(lèi)地行星都是由“開(kāi)普勒”空間望遠鏡發(fā)現的，它已發(fā)現了4696個(gè)系外行星候選者，確認了1030顆系外行星，其中有12顆宜居帶內的系外類(lèi)地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”空間望遠鏡是如何尋找這些系外類(lèi)地行星的呢？
1.尋找系外類(lèi)地行星難在哪里
現在，人類(lèi)已找到了三類(lèi)太陽(yáng)系外行星（氣體巨星、短周期軌道上熾熱的超級地球和冰巨星）大量存在的明顯證據，面臨的挑戰就是要找到系外類(lèi)地行星。
所謂類(lèi)地行星，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是類(lèi)似于地球的行星，它由巖石構成，圍繞像太陽(yáng)的恒星運行，可能孕育著(zhù)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類(lèi)地行星，尤其是那些在恒星周?chē)司訋У念?lèi)地行星，其表面可能有液態(tài)水的存在。
長(cháng)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(guān)測手段，因為在類(lèi)似太陽(yáng)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(huì )掩蓋行星，使地球上的天文望遠鏡觀(guān)測不到。
其實(shí)，早在2009年3月3日以前，人類(lèi)就已發(fā)現了342顆太陽(yáng)系外行星，不過(guò)其中絕大多數屬于類(lèi)木行星，即它們是體積比較大、表面是氣體、類(lèi)似于木星的行星，據信其中沒(méi)有一顆適宜生命存在。這樣的結果主要是由于當時(shí)的探測方式和技術(shù)水平所決定的，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的行星。
2.開(kāi)普勒有“絕活兒”
2009年3月6日，美國發(fā)射了世界第一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于尋找太陽(yáng)系外類(lèi)地行星的空間望遠鏡——“開(kāi)普勒”。其“絕活”是攜帶了全球體積最大的光度計到太空中去，該裝置能幫助搜尋太陽(yáng)系外類(lèi)地行星。
找到宜居行星只是尋找外星生命的第一步。如果發(fā)現許多類(lèi)地行星，就意味著(zhù)生命可能在銀河系內普遍存在；如果沒(méi)有發(fā)現或發(fā)現很少的類(lèi)地行星，則表明地球可能是唯一的生命站。當時(shí)專(zhuān)家預計，“開(kāi)普勒”可發(fā)現50顆以上的類(lèi)地行星。
這次“開(kāi)普勒”發(fā)現的開(kāi)普勒-452b，位于距離地球1400光年的天鵝座，直徑比地球大60％，“年齡”60億歲，繞其恒星公轉一圈是385天。雖然開(kāi)普勒-452b的質(zhì)量和組成尚未確定，但判斷它是巖石星球的可能性要高于以往“開(kāi)普勒”發(fā)現的其它行星。它圍繞的母恒星也與太陽(yáng)非常類(lèi)似，其直徑比太陽(yáng)大10％，質(zhì)量比太陽(yáng)多4%，亮度要高10%～20％，連表面溫度都一模一樣，只是年長(cháng)15億歲。從開(kāi)普勒-452b到這顆恒星的距離，也與地球到太陽(yáng)的距離比較相近，并剛好處于“宜居帶”中，即表面溫度允許液態(tài)水存在。因此，開(kāi)普勒-452b與地球相似指數高達98%。
其實(shí)，單就開(kāi)普勒-452b來(lái)說(shuō)，它并不是最像地球的太陽(yáng)系外行星，因為2014年宣布發(fā)現的開(kāi)普勒-186f，半徑是地球的1.17倍，2015年年初宣布發(fā)現的開(kāi)普勒-438b，半徑更是只有地球的1.12倍。這兩顆行星都處在各自恒星的宜居帶內，也都比開(kāi)普勒-452b更接近于地球的大小。只不過(guò)，這兩顆行星所環(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”。
3. 測量“凌星”法優(yōu)勢更明顯
太陽(yáng)系外有多少個(gè)“地球”？直到現在也幾乎沒(méi)有答案，原因就在于目前的天文觀(guān)測還不足以探測到這些“特殊”的行星。
目前，探測太陽(yáng)系外行星常用方法有：
測量位置。它是用空間干涉儀精確地測量恒星的位置，因為當恒星周?chē)嬖谛行菚r(shí)，會(huì )引起母恒星相對于遠方背景的星象擺動(dòng)。
測量輻射。它是直接測量行星的熱輻射，其困難是行星的熱輻射大多被恒星的輻射掩蓋，要用光學(xué)干涉儀消除來(lái)自恒星的光，這才有可能獲得來(lái)自該恒星附近的行星輻射源的輻射。
測量“凌星”。當行星從其母恒星前飛過(guò)時(shí)會(huì )阻擋一部分恒星的光，即出現行星“凌星”現象，這樣就可確定這顆母恒星周?chē)嬖诘男行?，并根據“凌星”的間隔和亮度等確定行星的軌道、溫度和大小等。這就像人們看到遠處有一只亮著(zhù)大燈的汽車(chē)，當一只小蟲(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。
測量速度。因為恒星的“視向速度”會(huì )因圍繞其運動(dòng)的行星而變化。
以前，大部分的太陽(yáng)系外行星是通過(guò)測量“視向速度”法來(lái)發(fā)現的，這種方法很有可能發(fā)現靠近其恒星的大行星，然而它對于和地球質(zhì)量相仿的低質(zhì)量行星并不敏感。在當今，用測量“凌星”法更適合發(fā)現像地球大小的星體，“開(kāi)普勒”就是采用這種方法。
用“凌星”法搜尋太陽(yáng)系外行星一般用3個(gè)參數來(lái)描述行星“凌星”的特征，即“凌星”的重現周期、“凌星”的間隔以及“凌星”時(shí)恒星亮度的相對變化量。根據“凌星”現象的周期性，能確定這顆恒星周?chē)欠翊嬖谛行?；根據行星“凌星”的間隔能計算出行星的軌道以及估計行星的溫度；根據行星“凌星”時(shí)，恒星亮度變化的大小能確定行星的大小。
由于能長(cháng)時(shí)間的監測目標，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”。這是嚴格確認這些周期性事件所需的最少觀(guān)測次數，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律性。
4.可偵測到地球上一盞燈的關(guān)閉
耗資近6億美元的“開(kāi)普勒”空間望遠鏡設計壽命3.5年，探測銀河系內的天鵝星座與天琴星座之間的一小塊天區（10°角寬約20個(gè)滿(mǎn)月的宇宙空間），通過(guò)檢測其間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(guān)測區域選擇在銀河系中的天鵝座和天琴座一帶，是因為天鵝座距離地球軌道(黃道)北部很遠，太陽(yáng)不會(huì )干擾“開(kāi)普勒”的視線(xiàn)，有利于連續觀(guān)測。此外，它也是銀河系中擁有大量恒星的一個(gè)區域。
“開(kāi)普勒”主體大致呈圓筒狀，直徑2.7米，長(cháng)4.7米，質(zhì)量約1000千克，設計壽命為3.5年。
其上的主要科學(xué)儀器是1臺迄今世界最大、靈敏度極高的光度計，質(zhì)量為350千克，功率為250瓦。用該光度計指向單一的一群恒星，就可以探測目標星球所發(fā)射出來(lái)的光子數量的細微變化，如果“開(kāi)普勒”把鏡頭移向地球上的某一小鎮，光度計可以偵測到一個(gè)開(kāi)著(zhù)電筒走過(guò)的人，換句話(huà)說(shuō)，它可以發(fā)現地球上晚間一盞普通燈被關(guān)閉的光線(xiàn)變化。
“開(kāi)普勒”觀(guān)測的數據以連續的方式不間斷地存儲下來(lái)，每月向地球傳回一次?，F在，“開(kāi)普勒”還發(fā)現了11顆直徑小于地球2倍，且運行于系外宜居帶內的疑似類(lèi)地行星目標，它們需要進(jìn)一步的后續確認。由此可見(jiàn)，隨著(zhù)“開(kāi)普勒”的發(fā)現和研究工作的持續深入，太陽(yáng)系外類(lèi)地行星的發(fā)現數量，可能會(huì )呈井噴式增長(cháng)。
延伸閱讀
開(kāi)普勒目前“帶病工作”
由于“開(kāi)普勒”成就顯著(zhù)，2013年4月，美國航空航天局宣布，將“開(kāi)普勒”原定3年半的任務(wù)期延長(cháng)至2016年。但在2013年5月14日，“開(kāi)普勒”空間望遠鏡的一個(gè)反作用飛輪壞了，再加上2012年壞的一個(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兩個(gè)，所以無(wú)法繼續提供精確的定位，完成搜尋使命。在經(jīng)過(guò)數個(gè)月的努力后，美國航空航天局于2013年8月15日宣布放棄修復“開(kāi)普勒”。不過(guò)，2014年，“開(kāi)普勒”團隊用太陽(yáng)光子產(chǎn)生的壓力作為一個(gè)虛擬反應輪，成功重新控制了望遠鏡并使其“復活”，而其在重獲“新生”后再建新功。
未來(lái)，美國將發(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)。
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