“星探”开普勒如何寻星
撰稿｜诸葛士元
寻找系外类地行星的“开普勒”又立新功。
2015年7月24日，美国航空航天局宣布，其“开普勒”空间望远镜发现了迄今为止与地球最为相似的太阳系外行星——开普勒-452b。目前，人类已知的大部分类系外地行星都是由“类地行星神探”——“开普勒”空间望远镜发现的，它已发现了4696个系外行星候选者，确认了1030颗系外行星，其中有12颗宜居带内的系外行星直径介于地球的1～2倍之间，它们都有可能与地球相似。
那么，“开普勒”空间望远镜是如何寻找这些系外类地行星的呢？
那么多姓“开普勒”的星
现在，人类已找到了三类太阳系外行星——气体巨星、短周期轨道上炽热的超级地球和冰巨星。
所谓类地行星简单地说类似于地球的行星,它由岩石构成，围绕像太阳的恒星运行，可能孕育着生命，因而具有研究意义。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的宜居带的行星，在该区域运行的行星表面很可能有液态水的存在。
长期以来，人类一直在通过各种办法在太阳系外寻找类似地球的行星。但其面临的一大困难就是缺乏观测手段，因为在类似太阳系的遥远星系中，恒星和行星的距离往往较近，恒星发出的强烈光芒会掩盖行星，使地球上的天文望远镜观测不到。
其实，早在2009年3月3日以前，人类就已发现了342颗太阳系外行星，不过其中绝大多数属于类木行星，它们体积比较大，表面是气体，据信其中没有一颗适于生命存在。这样的结果主要是由于当时的探测方式和技术水平决定的，但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。
2009年3月6日，美国发射了世界第一个专门用于寻找太阳系外类地行星的空间望远镜——“开普勒”。其“绝活”是携带了全球体积最大的光度计到太空中去，该装置能帮助搜寻太阳系外类地行星。
“开普勒”的任务是寻找与地球相似的星球，解答“地球是不是孤独的”的这个人类亘古以来就面临的难题。我们想要知道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，我们希望确定银河系的数千亿恒星的一部分中可能拥有这种行星。简单地说，“开普勒”就是要找到宇宙中生命有可能存在的地方，从而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，就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的类地行星，则表明地球可能是唯一的生命站。当时专家预计，“开普勒”可发现50颗以上的类地行星。
其实，单就开普勒-452b来说，它不是最像地球的太阳系外行星，因为2014年宣布发现的开普勒186f，半径是地球的1.17倍，2015年年初宣布发现的开普勒-438b，半径更是只有地球的1.12倍。这2颗行星都处在各自恒星的宜居带内，也都比开普勒-452b更接近于地球的大小。只不过，这2颗行星所环绕的恒星都要比太阳小得多，也暗得多。而开普勒-452b所环绕的恒星非常类似于太阳。因此，如果把恒星也考虑进来的话，开普勒-452b确实称得上是“另一个地球”。
当然，“开普勒”的主要目标并不是要寻找“另一个地球”，而是通过这种抽样调查的方式，帮天文学家更好地了解地球这样的宜居行星在整个银河系当中到底有多么普遍。开普勒-452b就像比地球大的远房亲戚，研究它有助于科学家理解地球的进化环境，预见地球的未来。
由于“开普勒”成就显著，2013年4月，美国航空航天局宣布，将“开普勒”原定3年半的任务期延长至2016年。但在2013年5月14日，“开普勒”空间望远镜的1个反作用飞轮坏了，再加上2012年坏的1个反作用飞轮，其4个用于姿态控制的反作用飞轮已坏了2个，所以无法继续提供精确的定位，完成搜寻使命。
在经过数个月的努力后，美国航空航天局于2013年8月15日宣布放弃修复“开普勒”。不过，2014年，“开普勒”团队用太阳光子产生的压力作为一个虚拟反应轮，成功重新控制了望远镜并使其“复活”，而其在重获“新生”后再建新功。未来，美国将发射“太阳系外行星猎人”来接替“开普勒”，完成寻找系外行星的任务。
如何发现表兄
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几种。“开普勒”采用的是测量“凌星”的方法。
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“凌星”现象，这样就可确定这颗母恒星周围存在的行星，并根据“凌星”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辆亮着大灯的汽车，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。四是测量速度。它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“视向速度”会因围绕其运动的行星而变化。
以前，大部分的太阳系外行星是通过测量“视向速度”法，即测量速度法来发现的，根据多普勒效应，恒星的“视向速度”可以从恒星光谱线的移动推导出来。这种方法很有可能发现靠近其恒星的大行星，然而它对于和地球质量相仿的低质量行星并不敏感。
在当今，用测量“凌星”法更适合发现像地球大小的星体。
严格地讲，“开普勒”并不是世界第一个专门用于寻找太阳系外类地行星的空间望远镜，因为欧洲在2006年12月27日发射的 “科罗”空间望远镜也是用测量“凌星”的办法来探测太阳系外行星的。但是“开普勒”要比“科罗”空间望远镜先进得多，成果也多得多，所以，美国自称“开普勒”是世界第一。
由于“开普勒”是围绕太阳运行的，而“科罗”是绕地球运行的，这意味着“开普勒”能有更多的时间搜寻目标星球的“芳踪”。与“科罗”卫星相比，“开普勒”可以在3年半的时间里不间断地观测同一片天区。而“科罗”由于是围绕地球转动的，因此地球会经常遮挡住它的视线；同时为了避免阳光对观测的影响，因此“科罗”对同一片天区的最长连续观测时间只有5个月。另外，“开普勒”也比“科罗”灵敏得多，因为其光度计主镜直径是“科罗”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。
“开普勒”探测系外行星的秘诀是：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，所以会使“开普勒”光度计接收到的恒星亮度会变弱，变化范围大约是5×10-5～40×10-5，连续大约2～16小时。“开普勒”就是这样根据一颗恒星亮度的周期性微弱变化，来判断其周围可能存在行星。
通过测量“凌星”行星的公转周期，利用开普勒第三定律——所有的行星的轨道的半长轴的三次方跟公转周期的二次方的比值都相等，就可大致计算出行星轨道大小。
行星越大，遮挡的光线就越多，所以通过观测到“凌星”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。
人类的专职星探
不过，每颗行星需要至少观测到3次“凌星”现象才能确定其轨道周期，并确定光线变暗不是由其他某种现象（比如该恒星上的耀斑）造成的。如果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百万分之十左右。同时，在了解了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能告诉人们某颗行星是否具有宜居性。
虽然这一技术方法在1999年前就被科学家采用了，并帮助了天文学家发现了300多颗较大的行星，但“开普勒”空间望远镜的特点是把目标对准更小的行星，即像地球一般大的宜居住行星，它们都围绕其母恒星运转。
由于能长时间地监测目标，所以“开普勒”至少能看到3次轨道周期为一年的行星“凌星”。这是严格确认这些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。
耗资近6亿美元的“开普勒”空间望远镜设计寿命3.5年，探测银河系内的天鹅星座与天琴星座之间的一小块天区（10°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586.8～2999.2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，就能有望寻找到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中的天鹅座和天琴座一带，是因为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，它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”在上天的第一年跟踪了17万颗恒星，随后慢慢将范围缩至10万颗。具体方法就是当行星从恒星和“开普勒”中间飞过时，“开普勒”利用类似数码相机一样光度计来观察恒星的亮度发生的轻微变化。这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。由于行星“凌星”现象持续时间并不长，众多的恒星又必须同时观察，这就要求所有受观测恒星的亮度每隔数小时就必须测量一次。
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的遮挡。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，能避开太阳的遮挡。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0.5天文单位（1个天文单位=149598000 千米），从而能在整个任务期间一直对相同恒星进行观察，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，最大可能地避开太阳、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空间望远镜，因而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”再内的其他天文卫星望尘莫及，有可能揭开一些“特殊”行星的面纱。
“哈勃”不能用于寻找类地行星，一是因为其视场太小，无法用于观测大量亮度较高的恒星，仅相当于人们在手臂长的距离看到一粒盐大小的面积。二是“哈勃”主要用于帮助整个天文学界解答数千个疑问，所以不能对恒星亮度进行连续测量，要想知道凌星会在何时发生，必须连续关注4年才行。三是“哈勃”并没有安装专用光度计，无法同时对10万多颗恒星进行观测并且要达到所要求的精确度。
链接：探测太阳系外行星常用方法
一是测量天体。它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，会引起母恒星相对于远方背景的星象摆动。二是测量辐射。它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，一般用光学干涉仪来消除来自恒星的光，这才有可能获得来自该恒星附近的行星辐射源的辐射。三是测量“凌星”。四是测量速度。它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“视向速度”会因围绕其运动的行星而变化。
“开普勒”为什么一定要放在天上而不能放置在地面上？
之所以不能在地面观察到地球大小的行星“凌星”现象，一是因为地球大气中的物质运动经常让来自恒星的光线弯向不同方向，所以探测精确度低，无法寻找到地球大小的行星，但可以用来探测巨行星。
第二，为了探测一年内最短只有两个小时的行星“凌星”，天文学家需要对恒星亮度进行连续观测，但由于地球绕太阳运行，即可以利用的夜空也在不断发生变化，所以即使在地球周围很多区域部署高精尖望远镜，也不可能对天空中一个特定区域连续监视一整年。
如果望远镜放置在地面，恶劣天气以及月球的影响不可避免，会进一步降低地面观察的效率。
四是地面观察的费用和投入也是惊人的。因此，光度计必须部署在太空才能避免昼夜循环、季节循环以及大气扰动。
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