前赴后繼的行星獵手

有跡象表明開普勒望遠(yuǎn)鏡的燃料即將耗盡，NASA已經(jīng)將開普勒調(diào)整成休眠狀態(tài)，并開始下載最近一個觀測周期的科學(xué)數(shù)據(jù)。與此同時，新一代的接替者“苔絲”也已經(jīng)進(jìn)入預(yù)定軌道。

南方周末特約撰稿 鞠強(qiáng)

在很長一段時間里，我們所知道的行星都位于太陽系中。直到20世紀(jì)90年代開始，天文學(xué)家才真正開始系統(tǒng)地對太陽系外的行星進(jìn)行搜尋。2009年，開普勒太空望遠(yuǎn)鏡（Kepler Spacecraft）發(fā)射升空，我們對系外行星的探索隨之進(jìn)入新的紀(jì)元。

這段探索的故事激動人心，卻也不可避免地要迎來結(jié)束的一刻。2018年7月7日，美國國家航空航天局（NASA）在官方網(wǎng)站上發(fā)布消息，開普勒望遠(yuǎn)鏡因?yàn)槿剂想S時可能耗盡，已經(jīng)暫停觀測工作，把此前獲得的觀測數(shù)據(jù)傳回地球是當(dāng)前的首要任務(wù)。這可能預(yù)示著有史以來最成功的系外行星探測器即將功成身退。不過，我們也不必為系外行星未來的研究前景感到擔(dān)憂，因?yàn)殚_普勒望遠(yuǎn)鏡的接班者“苔絲”（TESS）已經(jīng)在2018年4月發(fā)射升空并成功入軌。如同天文學(xué)中的其他很多領(lǐng)域一樣，在搜尋系外行星的路上，一代代科學(xué)家和他們的探測器正前赴后繼。

燃料不足

7月初，NASA的開普勒望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)就發(fā)現(xiàn)，有跡象表明開普勒望遠(yuǎn)鏡的燃料即將耗盡。望遠(yuǎn)鏡上并沒有類似汽車油表的裝置來顯示剩余燃料的百分比，因此科學(xué)家只能通過望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行狀態(tài)來對燃料余量進(jìn)行推測。他們已經(jīng)根據(jù)這個跡象將望遠(yuǎn)鏡調(diào)整成休眠狀態(tài)，從而節(jié)省燃料，并用這些寶貴的燃料來下載開普勒望遠(yuǎn)鏡在最近的一個觀測周期內(nèi)收集到的科學(xué)數(shù)據(jù)。一旦數(shù)據(jù)下載完成，且開普勒望遠(yuǎn)鏡仍然還有燃料，那么它將使用剩余燃料開始下一個觀測周期。

目前等待下載數(shù)據(jù)的這個觀測周期是開普勒望遠(yuǎn)鏡的延伸任務(wù)“K2”中的第18個觀測周期，而這個延伸任務(wù)的由來與開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)生過的重大故障有關(guān)。2009年3月7日，開普勒望遠(yuǎn)鏡由德爾塔2型火箭搭載，在美國卡納維拉爾角發(fā)射中心發(fā)射升空。它最初計(jì)劃在太空中工作3年半的時間，但是由于數(shù)據(jù)受到噪聲的影響超出預(yù)期，因此在2012年，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃把任務(wù)延長到2016年，從而完成預(yù)定的目標(biāo)。

隨后發(fā)生的一連串事件卻使這個計(jì)劃不得不擱淺。2012年7月14日，開普勒望遠(yuǎn)鏡用于調(diào)整方向的4個動量輪中的一個發(fā)生了故障。這時其余3個都必須正常工作，任務(wù)才能繼續(xù)進(jìn)行。但是禍不單行，2013年5月11日，又一個動量輪發(fā)生了故障。當(dāng)年8月15日，NASA宣布無法修復(fù)發(fā)生故障的2個動量輪。開普勒望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)天空中的特定區(qū)域進(jìn)行觀測，因此兩個動量輪發(fā)生故障后，望遠(yuǎn)鏡無法再繼續(xù)保持精確的指向。這樣一來，原定的觀測計(jì)劃已經(jīng)肯定無法完成，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)必須拿出新的方案。

結(jié)果，科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個非常巧妙的方案，利用微弱的光壓幫助開普勒望遠(yuǎn)鏡調(diào)整位置，這樣它就可以以掃描模式對小而暗淡的紅矮星周圍的宜居行星進(jìn)行搜尋。這個延伸任務(wù)被稱作“K2”。但是由于光壓會受到季節(jié)的影響，因此每隔一段時間，開普勒望遠(yuǎn)鏡還是要用剩余不多的燃料對運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，才能繼續(xù)工作，由此也就加速了燃料的耗盡。兩次調(diào)整之間的間隔就是一個觀測周期。

傳輸數(shù)據(jù)也非易事。開普勒望遠(yuǎn)鏡必須把巨大的天線對準(zhǔn)地球才能將數(shù)據(jù)傳回地球，同時接收數(shù)據(jù)的深空網(wǎng)絡(luò)（Deep Space Network）由于服務(wù)于多個觀測項(xiàng)目，因此數(shù)據(jù)傳輸必須是在分配給開普勒望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)的時間內(nèi)進(jìn)行，這個時間目前預(yù)計(jì)是在8月初。在此之前，開普勒望遠(yuǎn)鏡都將保持穩(wěn)定并將處于燃料零消耗的安全模式中。8月2日，團(tuán)隊(duì)將會喚醒望遠(yuǎn)鏡并將它調(diào)整好方向，開始數(shù)據(jù)下行。姿態(tài)調(diào)整和數(shù)據(jù)傳輸大概需要幾天的時間。如果一切順利的話，團(tuán)隊(duì)有望在8月6日開始用剩余燃料啟動第19個觀測周期。

早在2018年5月，在開普勒望遠(yuǎn)鏡完成“K2”的第17期觀測后，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)收到了燃料不足的預(yù)警。當(dāng)時他們努力使開普勒收集到的觀測數(shù)據(jù)傳回地球，隨后發(fā)現(xiàn)開普勒望遠(yuǎn)鏡還有剩余燃料。5月12日，開普勒開始第18個觀測周期，目標(biāo)是巨蟹座中的一小塊天區(qū)。早在2015年，開普勒望遠(yuǎn)鏡就曾對這一天區(qū)進(jìn)行過研究。第二次觀測這一天區(qū)獲得的數(shù)據(jù)將幫助天文學(xué)家確認(rèn)一些此前發(fā)現(xiàn)的系外行星候選者，同時嘗試發(fā)現(xiàn)新的系外行星。對于研究團(tuán)隊(duì)來說，當(dāng)務(wù)之急就是把這些數(shù)據(jù)傳輸回地球。

不負(fù)眾望

在工作周期的尾聲，開普勒望遠(yuǎn)鏡還在源源不斷地收集并傳回?cái)?shù)據(jù)，這令研究團(tuán)隊(duì)和所有從事系外行星研究的天文學(xué)家既不舍又欣慰?；仡欓_普勒望遠(yuǎn)鏡此前的成果，可謂功勛卓著。這臺以提出行星運(yùn)動三大定律的德國天文學(xué)家約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）的名字命名的太空望遠(yuǎn)鏡，設(shè)計(jì)目標(biāo)是尋找圍繞其他恒星運(yùn)行且與地球大小接近的行星。進(jìn)入太空后，開普勒望遠(yuǎn)鏡定位在地日系統(tǒng)的第二拉格朗日點(diǎn)上，用攜帶的高精度光度計(jì)對目標(biāo)天區(qū)內(nèi)的14.5萬顆主序恒星進(jìn)行連續(xù)的精密觀測，以搜尋系外行星。

太空探索計(jì)劃一般都花費(fèi)不菲，但與獲得的成果相比，開普勒望遠(yuǎn)鏡算是“物美價廉”的一個。它的花費(fèi)在6.4億萬美元左右，屬于NASA的“發(fā)現(xiàn)計(jì)劃”（Discovery Program）中的一項(xiàng)，這是一系列成本較低的空間科學(xué)任務(wù)，另外還包括2018年5月5日剛剛發(fā)射的洞察號火星探測器（InSight）等。與此相比，NASA另一個著名的項(xiàng)目“新邊界”（New Frontiers program）計(jì)劃的花費(fèi)則較高，其中包括探索冥王星的新視野號（New Horizons）和探索木星的朱諾號（Juno）。

雖然觀測任務(wù)并非一帆風(fēng)順，但是開普勒望遠(yuǎn)鏡還是對我們認(rèn)識系外行星帶來了革命性影響，堪稱研究系外行星的一把利器。即使在發(fā)生嚴(yán)重故障后，科學(xué)家仍可以對此前4年觀測期內(nèi)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以獲得新的發(fā)現(xiàn)。比如2015年1月6日，NASA就宣布了由開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的第1000顆系外行星。2015年7月23日，NASA召開的新聞發(fā)布會因?yàn)闀皩Α按笮侣劇钡念A(yù)告而引起天文學(xué)界的廣泛關(guān)注。會上，NASA宣布發(fā)現(xiàn)了有“另一顆地球”之稱的系外行星Kepler 452b。這顆系外行星位于天鵝座，距離地球1400光年，公轉(zhuǎn)周期大約為385天，和地球的公轉(zhuǎn)周期比較接近。它圍繞著一顆主序恒星運(yùn)行，與恒星位置適中，處于所在系統(tǒng)的宜居帶（距離恒星距離合適，溫度適宜，允許液態(tài)水在行星表面存在）中。生命被認(rèn)為最有可能出現(xiàn)在位于宜居帶的行星上，地球就處于太陽系的宜居帶內(nèi)。

開普勒望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)一邊在利用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測，另一邊也在對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并不斷公布新的發(fā)現(xiàn)。就在2018年6月28日，該團(tuán)隊(duì)還在arXiv網(wǎng)站上發(fā)表論文，公布了根據(jù)“K2”的第10個觀測周期的數(shù)據(jù)獲得確認(rèn)的44顆系外行星。

截至2018年7月9日，天文學(xué)家一共確認(rèn)在2842個系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了3801顆系外行星，其中有633個系統(tǒng)中包含2顆或2顆以上的系外行星。在這之中，開普勒望遠(yuǎn)鏡就發(fā)現(xiàn)了2650顆。更重要的是，開普勒望遠(yuǎn)鏡還在不同系統(tǒng)的宜居帶中發(fā)現(xiàn)了30顆體積不大于地球體積2倍的系外行星，它們成為“另一個地球”最有力的候選者。研究團(tuán)隊(duì)對開普勒望遠(yuǎn)鏡觀測數(shù)據(jù)的分析仍在進(jìn)行中，因此這些數(shù)字最終肯定還會繼續(xù)增加。

接班在即

開普勒望遠(yuǎn)鏡的任務(wù)即將畫上句號，而接過接力棒的下一代系外行星探測器也已經(jīng)就位。2018年4月18日，新一代“行星獵手”——凌日系外行星巡天衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite），也就是“苔絲”（TESS），已經(jīng)由美國太空探索公司（SpaceX）的獵鷹9號火箭發(fā)射升空。

“苔絲”在成功發(fā)射后，經(jīng)歷了11次變軌和1次月球彈弓效應(yīng)，最終進(jìn)入預(yù)定軌道?！疤z”的軌道是一個特別的大扁率橢圓軌道，近地點(diǎn)大約是108000千米，遠(yuǎn)地點(diǎn)為375000千米。在軌運(yùn)行過程中，“苔絲”會有近距離接近地球的時段，這樣它就可以比開普勒望遠(yuǎn)鏡更高效地傳送觀測數(shù)據(jù)。

“苔絲”計(jì)劃工作兩年，隨后會根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行延長。在最初的兩年時間里，“苔絲”會在第一年對南天球進(jìn)行掃描，在第兩年對北天球進(jìn)行掃描。在掃描過程中，“苔絲”將把天球分成26塊，每一塊的觀測周期是27.4天。事實(shí)上，“苔絲”觀測覆蓋的天區(qū)面積占到整個天區(qū)面積的85%，這個數(shù)字是開普勒望遠(yuǎn)鏡觀測天區(qū)面積的400倍。

除了觀測范圍不同外，“苔絲”與開普勒望遠(yuǎn)鏡搜索的系外行星類型也有不同。對于開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的大量系外行星，科學(xué)家并不知道它們的質(zhì)量。它們距離地球太遠(yuǎn)，超出了目前地基望遠(yuǎn)鏡測量的限度。與此相比，“苔絲”計(jì)劃觀測的系外行星距離地球更近，也更加明亮，這樣它們就在地基望遠(yuǎn)鏡的觀測能力之內(nèi)。如果天文學(xué)家可以測量這些系外行星的大小和質(zhì)量的話，他們就能知道這些行星的密度，從而了解它們是像地球一樣的巖質(zhì)行星還是像木星那樣的氣體行星。

天文學(xué)家使用多種方法尋找和研究系外行星，包括視向速度法、凌日法、直接成像法和微引力透鏡法等，這主要取決于系外行星的距離和所在系統(tǒng)的恒星性質(zhì)。由于系外行星的亮度與恒星相比太低，比如太陽的亮度是太陽系內(nèi)任何行星亮度的10億倍，因此想直接觀測到一顆系外行星會極其困難，所以天文學(xué)家只能尋找一些間接方法。

開普勒望遠(yuǎn)鏡和“苔絲”使用的都是其中的凌日法，我們從“苔絲”的全名中就可以知道這一點(diǎn)。當(dāng)一顆行星在恒星前穿過的時候，由于行星的遮擋，觀測到的恒星光度會有一個微量的降低，降低的比例取決于恒星與行星尺寸的相對大?。狠^大值可以超過1%，而像地球在太陽之前穿行引起的光變量大約只有0.008%。凌日法的優(yōu)勢就是可以通過光變量確定行星的大小。例如，前面提到的Kepler 452b就是通過凌日法發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時測得它的體積大約比地球大60%。

“苔絲”的目標(biāo)是在觀測周期內(nèi)通過凌日法對太陽附近亮度最高的20萬顆恒星進(jìn)行巡視，以尋找發(fā)生凌日現(xiàn)象的行星?！疤z”團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家希望能夠發(fā)現(xiàn)超過20000顆系外行星，而在這些系外行星中，科學(xué)家認(rèn)為將有300顆的尺寸與地球相當(dāng)，或者不超過地球體積的2倍。這些系外行星將為其他的研究提供重要的目標(biāo)，比如目前預(yù)計(jì)于2021年3月發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）。強(qiáng)大的觀測能力使它得以對這些系外行星進(jìn)行更加細(xì)致的觀測，例如了解它們的大氣組成，以確定是否存在生命以及是否適宜生命生存等。

1609年，當(dāng)伽利略第一次使用望遠(yuǎn)鏡觀測木星的時候，他沒有料想到會發(fā)現(xiàn)4顆以他名字命名的木星衛(wèi)星，更不會想到一場影響深遠(yuǎn)的天文學(xué)革命已然爆發(fā)。整整4個世紀(jì)后，開普勒太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空。從這一年開始，行星獵手前赴后繼，書寫了一段段探索宇宙的傳奇故事。因此，當(dāng)我們或者我們的后輩在未來回憶起2009年的時候，或許會覺得它和1609年有著一樣的分量。