漫话宜居星球探索（4）
胡经国
开普勒计划
开普勒计划早在30年以前就首次提出，但直到1999年第一颗凌日星球HD209458b被发现不久，该项目才获得通过。之所以命名为开普勒，是为了纪念17世纪的德国天文学家约翰内斯开普勒JohannesKepler）。他在1609～1618年提出了开普勒三定律。欧洲第2艘自动转移飞行器也将用他的名字命名。在整个开普勒项目中，美国联合发射联盟公司负责完成具体发射；艾姆斯研究中心负责地面系统研发、任务操作以及科学数据分析；喷气推进实验室负责开普勒空间望远镜及其任务的研发；鲍尔航天科技公司负责研制开普勒并为任务操作提供支持。
据美国广播公司报道，NASA（美国国家航空和宇宙航行局）已决定于2006年10月启动开普勒计划，向太空中发射一套最先进的行星探测系统。开普勒计划主要研究员、美国哈佛斯密森天体物理中心科学家萨塞罗夫接受采访时预测，一旦开普勒计划启动成功，4年之内人类至少可以发现10颗类地球行星。
萨塞罗夫称，天文学家们一般通过两种方法来寻找行星的踪迹。
第一种是“观察恒星摆动法”当一颗行星环绕恒星运动时，其引力作用会使恒星偏离中心，产生摆动。
第二种是“阴影观测法”，主要探测小行星的踪迹。当太阳系外有一颗行星穿过它围绕运转的恒星和地球上天文望远镜中间时，理论上讲从天文望远镜中看到的恒星将会变暗，也就是说在恒星的光亮上会出现小影斑。然而，在地球上使用“阴影法”寻找“第二地球”的成功几率有如摸彩。
为此，NASA决定于2006年10月正式启动“开普勒计划”，向太空发射一枚专门检测银河系中行星穿越恒星时出现“阴影信号”的太空望远镜。美国加利福尼亚大学天文学家格雷格·拉夫林说：“到目前为止，我们认为在所有新发现的银河系恒星系统中，有1/4的恒星系统可能存在着地球大小的行星，寻找到第二颗地球的概率非常之大。”开普勒
2009年美国东部时间3月6日22时50分（北京时间7日11时50分），美国航空航天局用德尔塔2火箭发射了第一个专门用于寻找类地行星的空间望远镜开普勒Kepler）。65分钟后，它进入了距地球大约721高的预定轨道，并将在这一轨道试运行2个月，随后正式开始执行探索任务。类地行星
类地行星是指类似于地球的行星它由岩石构成，围绕着像太阳的恒星运行，可能孕育着生命，因而具有研究意义。现在，人类找到了三类太阳系外行星大量存在的明显证据目前科学家们的挑战是要找到类地行星，比如，大小为地球的一半到两倍之间的行星，尤其是那些在恒星周围宜居带的行星在该宜居带行星表面有液态水存在。开普勒计划
开普勒计划开普勒计划任务是寻找与地球相似的星球，地球是否是孤独的的这个人类亘古以来就面临的难题看看银河系中是否有宜居带或者其附近的数百个地球大小和比地球小的行星，即恒星宜居带中不太冷、不太热、存在液态水的行星，并确定银河系数千亿恒星的一部分可能拥有这种行星。简单地说，这项任务就是要找到我们所知道的生命有可能存在的地方很有可能改变人类对宇宙的看法，有望从根本上改变人类对自身的认识。
找到宜居行星只是寻找外星生命的第一步。如果发现许多类地行星，当然意味着生命可能在银河系内普遍存在；如果没有发现或发现很少类地行星，则表明地球可能是唯一的生命。专家预计，开普勒计划可发现50颗以上的类地行星。美国首探类地星
自1995年以来，共发现了337围绕恒星转动的外行星但全都比地球大很多，所处位置的条件无法满足生命存在。少数几颗行星所在的系统环境类似于地球所在的太阳系许多发现的行星只是所谓的热木星，即只是在几天之内沿紧贴的热轨道绕其恒星运转的。大多数行星都是根据所谓的摇摆定律发现的，即只要发现恒星周边轨道上有万有引力存在，就推论有相对应的行星存在。行星距其恒星越近，万有引力越大，也就越易被观测到。截至2009年3月3日，人类已发现了342颗太阳系外行星不过其中绝大多数属于类木行星，即体积比较大，表面是气体，类似于木星的行星，据信其中没有一颗适于生命存在。这样的结果主要是由目前的探测方式和技术水平决定的，并不能说明太阳系外不存在类地行星或有生命存在且与地球大小相当的行星。
开普勒将对大量的恒星进行探测，探究行星系统的结构和差异要达到这个目的就必须对大量的恒星进行测量，以便确定在各种各样的恒星可居住地域内或附近陆地和较大行星的百分比；确定这些行星轨道形状及其大小的分布状态；估计在星系统内有多少行星；运用其他技术识别每个已发现行星系统附加成员；确定为行星系统提供地点的那些恒星的特性。
开普勒最早发现的行星很可能是所谓的高温木星。这类行星让科学家们很感兴趣，原因是其尺寸与木星相当，但却处在与水星相当的轨道上。再接下来很可能是高温海王星。而最难探测、也最令人激动的当属与地球相的行星。探测方法多种多样
太阳系外有多少个地球？直到现在也几乎没有答案原因就在于目前的天文观测还不足以探测到这些特殊的行星。
目前，探测太阳系外行星常用方法有：天体测量是用空间干涉仪精确地测量恒星的位置因为当恒星周围存在行星时，将引起母恒星相对于远方背景的星象摆动。辐射测量是直接测量行星的热辐射其困难是行星的热辐射大多被恒星的辐射掩盖，就如同在明亮的探照灯下去寻找一只萤火虫为了区别母恒星及其行星的热辐射，一般用光学干涉仪消除来自恒星的光，此后就有可能获得来自该恒星附近的行星辐射源的辐射。凌日测量
当行星从其母恒星前飞过时会阻挡了一部分恒星的光，即出现行星凌日现象就可确定这颗母恒星周围存在的行星，并根据凌日的间隔和亮度等确定行星的轨道、温度和大小等。这就像人们看到远处有一只亮着头灯的汽车，当一只小虫从汽车前经过时，可通过光线变化推断虫子的大小。速度测量是沿着观测者和目标恒星之间的矢径测量恒星速度因为恒星的向速度会因围绕其运的行星而变化。凌日测量
2006年12月27日欧洲发射的科罗（COROT）天文卫星和2009年美国发射的开普勒都是采用凌日来探测太阳系外行星。其中前者已经发现了7凌日的行星但开普勒将围绕太阳旋转而不是像科罗一样围绕地球旋转这意味着它可能要花费更多的时间搜寻目标星的。
一般用3个参数描述行星凌日的特征凌日的重现周期、凌日的间隔以及恒星亮度的相对变化量。根据凌日现象的周期性，能确定这颗恒星周围是否存在行星；根据行星凌日时亮度变化的大小能确定行星的大小；根据行星凌日的间隔能计算出行星的轨道以及估计行星的温度。开普勒探测行星的秘诀是：从地球方向上看，当恒星系统中的行星运行到开普勒与恒星之间时，由于行星遮挡了一部分恒星发出的光，会使开普勒光度计接收到的恒星亮度变弱，变化范围大约是5～40，连续大约2～16小时。开普勒可根据一颗恒星亮度的周期性微弱变化，判断其周围可能存在行星，并推算出行星的大小等参数。
行星越大，遮挡的光线就越多所以观测凌日的深度恒星亮度减弱的程度，即掌握光线变暗的程度，就可计算出行星的大小；通过测量凌日行星的公转周期，利用开普勒第三定律，就可大致计算出行星轨道大小。不过，每颗行星需要至少观测到3次凌日才能确定其轨道周期，并确定光线变暗不是由其它某种现象（比如该恒星上的耀斑）造成的。潜在的行星轨道周期很短（几天或几周），则意味着它距其母星非常近；而轨道周期很长（几年），则意味着它更接近于该恒星引力控制范围的边缘。距离过近或过远会使行星上过热或过冷，无法支持生命的出现。开普勒探测到的亮度微弱变化可以小到十万分之一左右。同时，在了解恒星的运行轨道大小和温度的基础上，可计算出行星特定的温度。对这些基本情况的了解将告诉人们某颗行星是否具有宜居性。这一技术方法10年前就被科学家采用了并帮助天文学家发现了300多颗较大的行星而开普勒空间望远镜的特点是把目标对准更小的行星，即像地球一般大宜居行星它们都围绕其母恒星运转。开普勒得天独厚靠轨道
耗资近6亿美元的开普勒空间望远镜将在太空运行至少3年探测银河系天鹅星座与天琴星座之间的一小块天区（10度角宽约20个满月的宇宙空间）通过检测其间10万多颗像太阳一样的恒星其距离在586.8光年到2999.2光年之间）每半个小时的亮度变化，研究行星穿越其恒星面前时产生的穿越现象，从而寻找围绕这些恒星周围的类地行星迹象，并描述它们的特征。之所以把观测区域选择在银河系的天鹅座和天琴座一带，天鹅座距离地球轨道黄道北部很远，太阳不会干扰开普勒的视线，有利于连续观测。此外，也是银河系中拥有大量恒星的一个区域。
为了保证有效观测，开普勒在第一年将跟踪17万颗恒星随后慢慢将范围缩至10万颗。其具体方法就是当行星从恒星和开普勒中间飞过时，开普勒将利用类似数码相机一样的光度计来观察恒星的亮度发生的轻微变化。这将有助于人类了解银河系中到底存在多少颗跟地球体积一样的行星，对未来的太空任务也很重要。
为了实现连续的观测，开普勒上的光度计视场要在黄道平面之外这样才能不被太阳或月球周期性遮挡。所以，该空间望远镜运行在与地球相同、与地球同速绕太阳运行的轨道上，以便避开太阳的遮挡。其一个轨道周期约为372.5天，是尾随地球的一条日心轨道，即地球拖尾日心轨道。在这条轨道上，开普勒缓慢驶离地球，4年后距离地球0.5AU（1AU149598000千米）从而能在整个任务期间一直对相同恒星进行，寻找大小与地球相仿、处在可支持生命的轨道区域内的行星最大地避开太阳、地球以及月球的干扰不存在因重力梯度、磁矩或大气阻力而产生的力矩来干扰能保持非常稳定的指向姿态，还避免了与地球轨道相关的高辐射量（但偶尔也会遭受太阳耀斑的辐射）。这一优势使包括哈勃内的其天文卫星望尘莫及，有可能揭开些特殊行星的面纱。
与科罗卫星相比，开普勒可以在3年时间里不间断地观测同一片天区。而科罗卫星由于是围绕地球转动的，地球会遮挡住它的视线；同时为了避免阳光对观测的影响，科罗对同一片天区的最长连续观测时间只有5个月。同时开普勒也比科罗灵敏得多，其光度计主镜直径是科罗的3.5倍因此能到大小只有地球一半、和火星差不多大的行星。
由于能够长时间的监测目标，开普勒至少能到3次轨道周期为一年的行星凌日。这是确认这些严格周期性事件所需的最少观测次数由此可排除诸如恒星亮度自身涨落等干扰因素证实星斑干扰的周期性和规律性。但是，人类在地面上是无法观察地球大小行星凌日现象“开普勒”——全副武装的新星
“开普勒”主体大致呈圆筒状，直径2.7米，长4.7米，质量约1000千克，设计寿命为4年由固定太阳能电池板、Ka频段高增益天线、固体存储器、遥测部件、跟踪器与推进器和光度计等构成具有高精度定向、大视场、低噪声和没有展开部件等特点。它的通信使用X频段应答机，天线有全向天线和高增益天线其中束宽为2°的高增益天线能以大约每天1GB的速率向美国深空监测网传输数据其热控制系统包括多层绝缘、涂层、热绝缘带和辐射器，还有一个加热器。由于采用太阳电池阵作为热屏蔽，仪器与望远镜整体是热绝缘的光度计CCD所获数据由3个平行的数据处理系统处理。
其上的主要科学仪器是1台迄今世界最大、灵敏度极高的光度计可以探测目标星球所发射出来的光子数量的细微变化质量为350千克，功率为250瓦。如果“开普勒”把镜头移向地球上的某一小镇，光度计可以侦测到一个开着电筒走过的人。
在轨运行期间，光度计将用装在焦平面上的4个定向传感器、敏感陀螺和反作用控制轮提供定向，使光度计指向单一的一群恒星。光度计主反射镜直径为1.4米，核心处是一个直径0.95米、放大倍数为12的施密特望远镜，望远镜的频谱带宽为400～850纳米。在透镜背后，有一排42块CCD（电荷耦合器件，一种把光学影像转化为数字信号的装置）组成的接收器，即焦平面探测器。每块CCD的尺寸为50毫米×25毫米，像素为2200×1024，整个焦平面探测器相当于1台9500万像素的数码相机。该光度计具有105°×105°的宽视场（相当于人们在手臂长的距离看到手掌大小的面积广阔的视场意味着望远镜在一个观测范围中能够看到更多数量的恒星），灵敏度极高，可连续、同步监测10万多颗像太阳一样的恒星亮度，及时发现行星的“穿越”现象。它的灵敏度是如此之高，以至于在太空中可以发现地球上晚间一盏普通灯被关闭的光线变化。
“开普勒”将利用精确度和敏感度都超高的光学数字探测器组合（总计有高达约9500万个像素），来捕获绕母星运行的太阳系外行星所引起的细微光线变化。从太阳系外看，地球在旋转到太阳面前时，只阻挡了太阳光的0.008%，而“开普勒”的设计精确度能探测到小至0.002%的微弱亮度变化，相当于跳蚤跳过车前灯。行星“凌日”现象通常只连续几小时至十几小时，必须至少几小时测量一次恒星的亮度，并把测量到的光积累进行统计。“开普勒”观测的数据将以连续的方式不间断地存储下来，每月向地球传回1次。
“开普勒”空间望远镜的测控由科罗拉多大学巨石城分校的大气与太空物理学实验室负责。将与制造“开普勒”主要部件直径1米的主镜和众多感光微芯片以及望远镜飞行系统的贝尔公司通力合作。当“开普勒”开始寻找行星时，实验室测控小组将一周两次与望远镜进行联系，以监视其上面配备的仪器，包括传感器、电池定位控制系统、电压和温度以及负载指令。
“开普勒”正常运行后，它每30天转动一次，以便使高增益天线指向地球，将所获数据传给美国航空航天局的深空监测网。“开普勒”每90天进行90°的转动，以保持太阳电池阵指向太阳，焦平面辐射器指向深空。
2011年12月4日编写于重庆
2022年2月4日修改于重庆
7
|
|
