| 開普勒如何尋找“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系外行星——開普勒-452b。
目前，人類已知的大部分系外類地行星都是由“開普勒”空間望遠鏡發(fā)現的，它已發(fā)現了4696個系外行星候選者，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，“開普勒”空間望遠鏡是如何尋找這些系外類地行星的呢？
1.尋找系外類地行星難在哪里
現在，人類已找到了三類太陽系外行星（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(zhàn)就是要找到系外類地行星。
所謂類地行星，簡單地說就是類似于地球的行星，它由巖石構成，圍繞像太陽的恒星運行，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類地行星，尤其是那些在恒星周圍宜居帶的類地行星，其表面可能有液態(tài)水的存在。
長期以來，人類一直在通過各種辦法在太陽系外尋找類似地球的行星。但其面臨的一大困難就是缺乏觀測手段，因為在類似太陽系的遙遠星系中，恒星和行星的距離往往較近，所以恒星發(fā)出的強烈光芒會掩蓋行星，使地球上的天文望遠鏡觀測不到。
其實，早在2009年3月3日以前，人類就已發(fā)現了342顆太陽系外行星，不過其中絕大多數屬于類木行星，即它們是體積比較大、表面是氣體、類似于木星的行星，據信其中沒有一顆適宜生命存在。這樣的結果主要是由于當時的探測方式和技術水平所決定的，但并不能說明太陽系外不存在類地行星或有生命存在且與地球大小相當的行星。
2.開普勒有“絕活兒”
2009年3月6日，美國發(fā)射了世界第一個專門用于尋找太陽系外類地行星的空間望遠鏡——“開普勒”。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系外類地行星。
找到宜居行星只是尋找外星生命的第一步。如果發(fā)現許多類地行星，就意味著生命可能在銀河系內普遍存在；如果沒有發(fā)現或發(fā)現很少的類地行星，則表明地球可能是唯一的生命站。當時專家預計，“開普勒”可發(fā)現50顆以上的類地行星。
這次“開普勒”發(fā)現的開普勒-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。雖然開普勒-452b的質量和組成尚未確定，但判斷它是巖石星球的可能性要高于以往“開普勒”發(fā)現的其它行星。它圍繞的母恒星也與太陽非常類似，其直徑比太陽大10％，質量比太陽多4%，亮度要高10%～20％，連表面溫度都一模一樣，只是年長15億歲。從開普勒-452b到這顆恒星的距離，也與地球到太陽的距離比較相近，并剛好處于“宜居帶”中，即表面溫度允許液態(tài)水存在。因此，開普勒-452b與地球相似指數高達98%。
其實，單就開普勒-452b來說，它并不是最像地球的太陽系外行星，因為2014年宣布發(fā)現的開普勒-186f，半徑是地球的1.17倍，2015年年初宣布發(fā)現的開普勒-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，也都比開普勒-452b更接近于地球的大小。只不過，這兩顆行星所環(huán)繞的恒星都要比太陽小得多，也暗得多。而開普勒-452b所環(huán)繞的恒星非常類似于太陽。因此，如果把恒星也考慮進來的話，開普勒-452b確實稱得上是“另一個地球”。
3. 測量“凌星”法優(yōu)勢更明顯
太陽系外有多少個“地球”？直到現在也幾乎沒有答案，原因就在于目前的天文觀測還不足以探測到這些“特殊”的行星。
目前，探測太陽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，因為當恒星周圍存在行星時，會引起母恒星相對于遠方背景的星象擺動。
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，要用光學干涉儀消除來自恒星的光，這才有可能獲得來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時會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圍存在的行星，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大燈的汽車，當一只小蟲從汽車前經過時，可通過光線變化推斷蟲子的大小。
測量速度。因為恒星的“視向速度”會因圍繞其運動的行星而變化。
以前，大部分的太陽系外行星是通過測量“視向速度”法來發(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量相仿的低質量行星并不敏感。在當今，用測量“凌星”法更適合發(fā)現像地球大小的星體，“開普勒”就是采用這種方法。
用“凌星”法搜尋太陽系外行星一般用3個參數來描述行星“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，能確定這顆恒星周圍是否存在行星；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，恒星亮度變化的大小能確定行星的大小。
由于能長時間的監(jiān)測目標，所以“開普勒”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，證實星斑干擾的周期性和規(guī)律性。
4.可偵測到地球上一盞燈的關閉
耗資近6億美元的“開普勒”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(qū)（10°角寬約20個滿月的宇宙空間），通過檢測其間10萬多顆像太陽一樣的恒星（其距離在586.8～2999.2光年之間）每半個小時的亮度變化，研究行星穿越其恒星面前時產生的“穿越”現象，就能有望尋找到圍繞這些恒星周圍的類地行星跡象，并描述它們的特征。之所以把觀測區(qū)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，太陽不會干擾“開普勒”的視線，有利于連續(xù)觀測。此外，它也是銀河系中擁有大量恒星的一個區(qū)域。
“開普勒”主體大致呈圓筒狀，直徑2.7米，長4.7米，質量約1000千克，設計壽命為3.5年。
其上的主要科學儀器是1臺迄今世界最大、靈敏度極高的光度計，質量為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)射出來的光子數量的細微變化，如果“開普勒”把鏡頭移向地球上的某一小鎮(zhèn)，光度計可以偵測到一個開著電筒走過的人，換句話說，它可以發(fā)現地球上晚間一盞普通燈被關閉的光線變化。
“開普勒”觀測的數據以連續(xù)的方式不間斷地存儲下來，每月向地球傳回一次?，F在，“開普勒”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地行星目標，它們需要進一步的后續(xù)確認。由此可見，隨著“開普勒”的發(fā)現和研究工作的持續(xù)深入，太陽系外類地行星的發(fā)現數量，可能會呈井噴式增長。
延伸閱讀
開普勒目前“帶病工作”
由于“開普勒”成就顯著，2013年4月，美國航空航天局宣布，將“開普勒”原定3年半的任務期延長至2016年。但在2013年5月14日，“開普勒”空間望遠鏡的一個反作用飛輪壞了，再加上2012年壞的一個反作用飛輪，其4個用于姿態(tài)控制的反作用飛輪已壞了兩個，所以無法繼續(xù)提供精確的定位，完成搜尋使命。在經過數個月的努力后，美國航空航天局于2013年8月15日宣布放棄修復“開普勒”。不過，2014年，“開普勒”團隊用太陽光子產生的壓力作為一個虛擬反應輪，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，美國將發(fā)射“太陽系外行星獵人”來接替“開普勒”，完成尋找系外行星的任務。
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