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          再見開普勒,感謝你告訴我們不孤獨
          發布時間:2018-11-02
          出品:科普中國
          制作:haibaraemily
          監制:中國科學院計算機網絡信息中心

            除了太陽,其他恒星周圍也有行星環繞嗎? 

            我們的地球在宇宙中還有同類嗎? 

              

            應運而生 

              

            20世紀的尾聲里,人們終于窺見了太陽系之外的行星世界。 

              

            1992年,人們在脈沖星PSR B1257+12周圍第一次發現了系外行星PSR B1257+12BPSR B1257+12C 

            1995年,人們首次在主序星飛馬座51周圍發現了系外行星飛馬座51b 

              

            我們已經知道系外行星確實是存在的,但到底有多少恒星有行星環繞?這些行星里有像我們的地球一樣的行星嗎?甚至,會有哪個行星上有生命居住嗎? 

              

            新世界的大門已經打開,但想要繼續探索還需要招募一位勇敢而勤奮的獵手——從20世紀90年代,科學家們就開始規劃一顆專門用來搜索系外行星的探測器,這就是后來的開普勒探測器[1]。 

              

            然而,一方面是技術和精度上的限制,一方面是經費上的捉襟見肘,這個系外行星搜尋提案屢次被否決。直到2000年,屢經修改后的開普勒任務第5次提案終于在26個候選提案中脫穎而出,被NASA的知名摳門項目Discovery項目選中…和另外兩個提案一同參加下一輪三進二的選拔… 

              

            2001年12月,開普勒探測器最終被選中成為Discovery項目的第10個任務,獲得了3億美元的預算支持(最終花費了5.5億美元)。值得一提的是,同時被選中的另一個任務就是探索小行星帶的黎明號探測器,兩顆探測器原計劃都是在2006年發射[2, 3],但由于預算的問題,兩顆探測器都沒能如期發射,而是分別延遲到了20092007年。 

              

            2009年37日,幾經坎坷的開普勒探測器終于在美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發射升空。 

          搭載開普勒探測器的德爾塔II火箭點火。來源:NASA[4] 

              

            這顆以開普勒三定律的提出者,偉大的天文學家約翰內斯·開普勒命名的探測器,職責是持續搜尋新的系外行星。 

              

            而它更大的野心是:尋找地球的同類。更準確地說,是尋找太陽這類的恒星周圍有多少和我們的地球差不多大,又位于宜居帶中的巖質行星。 

              

            勤奮搜尋 

              

            在開普勒任務正式通過之前,人們只發現了大約80顆系外行星,而且全部都是類似木星那樣的氣態巨行星,這是因為越大的天體越容易被發現。而開普勒探測器則把目標提高到了能探測到和地球差不多大甚至更小的天體。 

              

            為了達到這個目標,開普勒探測器采用了一種簡單粗暴的搜索方法——“凌日法”。 

              

            凌日法的原理很簡單: 

            一顆恒星發出的光如果沒有遮擋的話應該會始終都一樣亮,也就是說,亮度曲線是一條直線。 

            但當有行星飛過時,會遮擋一部分恒星的光,那么在這段時間里觀測到的恒星亮度會變小。當行星飛過之后,會在恒星的亮度曲線里留下一個U型缺口。 

             

            為了找到這些“缺口”,開普勒需要始終盯著同一片天區反復觀測,然后對比觀測數據中的亮度變化。而且發現一次“缺口”還不夠,同樣的凌日事件重復觀測到3-4次以上,才能最終確認確實有一顆系外行星。 

              

            因此,開普勒探測器的設計軌道是一個環太陽軌道,而且在環繞太陽的過程中始終朝向同一個方向。這個軌道的平均半徑和地球軌道半徑相當,但不在黃道面上的,以免受到太陽光的影響。 

          開普勒探測器第一階段的軌道和指向。來源:維基 

              

            不知道細心的你有沒有發覺,開普勒探測器發現的許多行星都是位于天鵝座方向的,那當然不是因為這個天區的行星特別多,而是因為在最開始的四年,開普勒探測器始終只指向天鵝座和天琴座那一片方向,總計追蹤的恒星超過15萬顆。 

          開普勒探測器第一階段持續觀測的天區:天鵝座(Gygnus)和天琴座(Lyra)方向。來源:維基 

              

            在開普勒任務的頭四年里,這顆探測器就這樣日復一日年復一年地在這片天區里搜尋著,積累了大量的探測數據寶藏,留待科學家們慢慢挖掘。 

              

            再煥新生 

              

            開普勒探測器原本的設計壽命只有3.5,這也是Discovery項目的平均壽命。然而,由于開普勒探測器的實際探測精度沒有達到原本的預期,項目組的評估認為開普勒探測器必須持續觀測到2016年才能達到原本的任務目標。不過好在開普勒也確實運行良好,因此201211月,NASA正式宣布開普勒初期任務結束,開始長達4年的拓展任務[6]。 

              

            然而,這個如意算盤沒有持續多久,因為開普勒遇到了和黎明號一樣棘手的問題——動量輪開始相繼壞掉了 

              

            開普勒和黎明號一樣,都是用動量輪控制探測器的姿態的。開普勒可以一直保持環繞太陽的運行,這不需要動力來維持軌道,但如果想要始終保持指向同一個方向觀測,卻需要不斷調整自己的朝向——最起碼需要三個動量輪才行(三個垂直的方向各一個)。 

              

            也和黎明號一樣,開普勒也帶了四個動量輪,也就是說,壞一個是沒有關系的。因此當2012714日第一個動量輪壞掉的時候,科學家們依然認為開普勒探測器是健康的,是可以繼續正常工作的。 

              

            然而好景不長,2013511日,拓展任務開始才半年,開普勒探測器的第二個動量輪也壞掉了[7]。雖然在短期內,開普勒可以向黎明號一樣采用推進劑+動量輪的混合模式來維持原本的姿態,但在對動量輪嘗試修理無果之后,NASA還是認為這不是長久之計。 

              

            2013年底,一個名叫K2的觀測方式被提出,K2的意思是“開普勒的第二春”(Second Light)。這個創造性的觀測方案提出利用太陽光壓配合兩個還能工作的動量輪維持姿態穩定,而同時隨著太陽角度的變化,大約每80天就要利用推進劑調整一次姿態,以重新達到與太陽光壓的平衡角度。也就是說,開普勒探測器將會以約80天為周期觀察不同的天區(每個區域的觀測稱為一個campaign field[8] 

              

            K2方案在2014516日正式投入使用,這意味著開普勒探測器續命成功,進入了一個嶄新的階段。 

          2014-2018年開普勒K2階段一共觀測了20個測區(包括測試周期)。 

          來源:NASA[9] 

              

            但強行續命終究是不可持續的。和黎明號一樣,開普勒探測儀也同樣免不了油盡燈枯的宿命——一旦燃料耗盡,就意味著開普勒任務的終結。 

              

            頑強的開普勒又硬生生撐了好幾年。 

              

            更令人揪心的是,開普勒的最后一程讓人悲欣交集、提心吊膽,尤其是進入第17個觀測周期,燃料已經開始見底之后——每一次姿態調整,都是一趟鬼門關,撐過這一次,又能多活80天。 

              

            終于,在2018926日完成第19個觀測周期并成功傳回數據之后,開普勒沒能再開啟第20個觀測周期。 

              

            2018年1030日,NASA正式宣布開普勒探測器耗盡燃料,任務結束。 

              

            18年前一起獲批的黎明號探測器,也正掙扎在燃料即將耗盡的邊緣,很快就會結束任務。 

              

            誰也不會想到,兩顆探測器會以這樣一種奇特的緣分相伴走到生命的最后一刻。 

              

            戰功赫赫 

              

            2001年底,開普勒任務正式通過之前,人類只發現了約80顆系外行星。 

            而到了2018年底,人類已經確認發現了約3800顆系外行星——其中有2662顆都是開普勒探測器發現的,占了70% 

          9年多的飛行,觀測了53萬多個恒星系統,確認發現了2662顆系外行星。來源:NASA[10] 

              

            開普勒探測器告訴我們,系外行星是普遍存在的,類地大小的行星也是普遍存在的;開普勒探測器也告訴我們,行星系統可以有多么豐富多彩,傳統的行星形成理論可能亟需修改——我們以為是典型的太陽系,只不過是其中一種情況罷了。 

          豐富多彩的系外行星假想圖。來源:NASA 

              

            同時,開普勒探測器留下的海量數據也是一筆巨大的寶藏,留待科學家們在接下來的幾十年里慢慢發掘,比如去年底發現的第一個和太陽系一樣擁有八顆行星的Kepler-90,就是挖掘舊數據找到的。 

          擁有8個行星的開普勒-90,其中開普勒-90i是去年新發現的。來源:NASA 

              

            但另一方面,不可否認開普勒也確實留下了一些遺憾。 

              

            開普勒的探測相對而言是粗糙的——測光精度不高,信噪也不高,許多觀測結果需要和精度更高的哈勃或者其他空間望遠鏡相配合才能得到確認。比如上次我們介紹的疑似系外衛星開普勒1625b-i(詳情:發現第一顆系外衛星?別著急,還要再等等)。(http://www.3sdy.cn/gb/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_201810/201810/t20181009_31471.html 

              

            開普勒的終極追求——對“宜居地球”的追尋也還沒有得到確定的答案。 

              

            確實,開普勒發現了很多質量和地球相當的巖質行星,也發現了很多位于對應恒星宜居帶中(也就是溫度不冷不熱可以允許液態水在表面穩定存在)的行星。但同時滿足要求的并不多[11] 

              

            ○比地球小的巖質行星開普勒-20e,太熱了不在宜居帶中; 

            ○位于太陽類恒星的宜居帶中的行星開普勒-22b,太大了很可能沒有固態表面; 

            ○大小和地球相當、有固態表面、位于宜居帶中的中的行星開普勒-186f,環繞的恒星卻是一顆紅矮星,大小和質量都只有太陽的一半,溫度也比太陽低得多; 

            ○…… 

          一些可能的宜居行星假想圖。來源:NASA Ames/W. Stenzel [11] 

              

            ○甚至號稱是“地球2.0”的開普勒-452b似乎滿足所有要求,但還是因為開普勒探測器過低的信噪比而受到了強烈的質疑,需要進一步的觀測來驗證[12]。(當然,和地球更像未必意味著更可能有生命存在,但誰叫我們對生命的認識還那么單一呢) 

             

            但很難因此而否定開普勒的功績。作為人類第一顆職業行星搜尋探測器,開普勒就像一個裝備簡陋的獵手,在人類探索太陽系外的洪荒歲月里,單槍匹馬地一頭扎進了宇宙的黑暗森林之中——我們實在沒有理由去責怪獵槍的質量太差。 

              

            結語:薪火相傳 

              

            結束任務后的開普勒探測器,還會繼續停留在環太陽軌道上,只是永遠沉睡了。 

              

            慶幸的是,開普勒探測器的繼任——NASA的凌日系外行星巡天衛星TESS已于今年4月發射升空,接過了開普勒探測器的火炬,而且短短幾個月就已經發現了3顆系外行星。 

            TESS探測器的假想圖。來源:NASA 

              

            薪火相傳。來源:NASA 

              

            再然后,還有以詹姆斯·韋伯號為首的許多空間望遠鏡會在接下來的數年里相繼發射,以不同的方法和視角去探索系外行星的方方面面——這些新的獵手們一定會給我們帶來更多更好的驚喜。 

              

            但開普勒在我們心里的地位依舊是不同的。 

              

            是發現了2600多顆系外行星的開普勒探測器,真正讓我們能以全新的視角看待星空—— 

            曾經,那只是一個個遙遠而陌生的亮點; 

            而現在,我們知道那一個個亮點里,也有著和我們的太陽系一樣甚至更加豐富多彩的行星甚至衛星世界。 

          紀念開普勒探測器退役的作品《A New View of Our Starry Night》。 

            來源:NASA [13] 

              

              

            再見開普勒,感謝你告訴我們不孤獨。

              

            參考文獻: 

            [1] NASA | A Brief History of the Kepler Mission 

            https://www.nasa.gov/kepler/overview/historybyborucki 

            [2] NASA | NASA AMES’ KEPLER MISSION SELECTED FOR DISCOVERY PROGRAM 

            https://www.nasa.gov/centers/ames/news/releases/2001/01_107AR.html 

            [3] NASA | JPL Asteroid Mission Gets Thumbs Up from NASA 

            https://www.jpl.nasa.gov/releases/2001/release_2001_245.html 

            [4] NASA | Kepler's Launch 

            https://www.nasa.gov/kepler/keplers-launch 

            [5] NASA | Exoplanet and Candidate Statistics 

            https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/docs/counts_detail.html 

            [6] NASA | NASA's Kepler Completes Prime Mission, Begins Extended Mission 

            https://www.nasa.gov/home/hqnews/2012/nov/HQ_12-394_Kepler_Completes_Prime_Mission.html 

            [7] NASA | Kepler Mission Manager Update 

            https://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/news/keplerm-20130521.html 

            [8] NASA | K2 Campaign fields 

            https://keplerscience.arc.nasa.gov/k2-fields.html 

            [9] NASA | Kepler Mission Manager Update: K2 Has Been Approved! 

            https://www.nasa.gov/content/ames/kepler-mission-manager-update-k2-has-been-approved 

            [10] NASA | Kepler By the Numbers – Mission Statistics 

            https://www.nasa.gov/kepler/missionstatistics 

            [11] NASA | Searching for Habitable Worlds 

            https://www.nasa.gov/ames/kepler/searching-for-habitable-worlds 

            [12] Mullally, F., Thompson, S. E., Coughlin, J. L., Burke, C. J., & Rowe, J. F. (2018). Kepler’s Earth-like Planets Should Not Be Confirmed without Independent Detection: The Case of Kepler-452b. The Astronomical Journal, 155(5), 210. 

            [13] NASA | A New View of Our Starry Night 

            https://www.nasa.gov/kepler/starrynight 

              

            (本文中標明來源的圖片均已獲得授權) 

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