Will Gater　文　Shea　編譯

美國宇航局的太陽系外行星搜尋利器正在履行一項新的使命。

如果有一件事情是所有的太空冒險活動都必須面對的，那就是終有一天飛船會在太空深處失去控制。大量的科幻作品中都可以看到類似的情節(jié)，但對于美國宇航局（NASA）的開普勒空間望遠鏡來說，它卻實實在在地體驗了一把。

發(fā)射于2009年，“開普勒”被譽為是NASA搜尋太陽系外行星的旗艦任務(wù)。它的使命看上去很簡單：如鷹一樣地緊盯著位于天空中一片區(qū)域里的約15萬顆恒星，該天區(qū)位于兩顆亮星天鵝座天津四和天琴座織女星之間?！伴_普勒”上搭載有一個極其靈敏的照相機，它會精確地記錄下這些恒星的亮度。如果它發(fā)現(xiàn)有任何一顆恒星的亮度出現(xiàn)了暫時地下降，這有可能是有一顆行星從其前方經(jīng)過所造成的，該現(xiàn)象被稱為凌星。天文學(xué)家特別希望用這架空間望遠鏡來尋找位于其他恒星周圍宜居帶內(nèi)的地球大小的行星，在宜居帶中行星的表面可以有液態(tài)水存在。

[圖片說明]：在此前的任務(wù)中，“開普勒”所發(fā)現(xiàn)的太陽系外行星開普勒-186f，其大小只有地球的1.1倍。這里給出了開普勒-186系統(tǒng)和太陽系以及開普勒-186f和地球的比較圖。版權(quán)：NASA/Ames/JPL-Caltech。

首戰(zhàn)告捷

“開普勒”的觀測大獲成功。至今，它發(fā)現(xiàn)了近1 000顆已被證實的太陽系外行星。其中，被稱為開普勒-186f的行星距離我們太陽系約500光年，大小是地球的1.1倍。

然而，要做出如此非凡的成績并且緊盯天空中的一小片區(qū)域，需要“開普勒”有非常精確地指向能力。使用反作用輪裝置是這里的關(guān)鍵。

“開普勒”發(fā)射時配備了4個反作用輪。它們工作的原理類似于兒時玩的陀螺。通常，維持一個航天器的指向需要3個反作用輪，分別控制：滾動、偏航和俯仰。通過調(diào)整反作用輪的轉(zhuǎn)速，“開普勒”可以以極高的精度指向任何給定的方向。每一個反作用輪平穩(wěn)的工作是“開普勒”的眼睛能持續(xù)鎖定目標(biāo)的根本。其偏差遠小于其測光器件上像素的尺寸。

但是，從2012年7月起問題開始出現(xiàn)。有一個反作用輪停止了工作。之后，在2013年5月第二個反作用輪失靈。沒有3個能夠正常工作的反作用輪，就無法維持指向。這個太陽系系外行星獵手的前景一片暗淡。當(dāng)?shù)弥诙€反作用輪失靈之后，天文學(xué)家都很遺憾。不過，事情并沒有就此結(jié)束。科學(xué)家和工程師們深入研究了其中的細節(jié)，下載了大量的工程數(shù)據(jù)，評估“開普勒”的狀況。事實上，只用了幾個月的時間，他們就提出了一個方案來挽救“開普勒”。

只有兩個工作的反作用輪，照射到船體的太陽光其輻射壓會漸漸地把它推離本應(yīng)觀測的天區(qū)。然而，工程師們發(fā)現(xiàn)，以一種特定的方式來調(diào)整“開普勒”的指向可以減輕這種影響并穩(wěn)定住船體，從而使得它能夠再一次進行觀測。這一方案得到了批準，目前“開普勒”正在迎接一縷新的曙光，NASA將它的下一階段使命稱為K2任務(wù)。

不同于僅研究一個天區(qū)中的恒星，在K2任務(wù)中“開普勒”將觀測天空中的多個天區(qū)，對每個天區(qū)的觀測會持續(xù)約為80天的時間。盡管這與“開普勒”最初的設(shè)計有著巨大的差異，但這并不意味著它的探測能力會有所下降。反向，K2可以做出許多“開普勒”此前無法實現(xiàn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。通過觀測多個天區(qū)，它可以觀測到大量之前無法看到的天體。

[圖片說明]：利用太陽光壓來平衡“開普勒”指向的示意圖。版權(quán)：NASA Ames/W. Stenzel。

“開普勒”的新目標(biāo)

事實上，“開普勒”的K2任務(wù)會研究眾多不同類型的天體，包括超新星、太陽系行星以及太陽系外行星等。K2所有的觀測都由天文學(xué)家來提案，一個獨立的科學(xué)評估組會決定最終的目標(biāo)，他們每一期觀測都會評估超過100份的提案。

一些天文學(xué)家希望K2任務(wù)能有助于了解一類重要的小行星——近地小行星。這些如一座山那么大的小天體就位于地球軌道的附近，既誘人又讓人提心吊膽。偶爾地，其中一個就會撞上地球，就像2013年2月發(fā)生在俄羅斯車里雅賓斯克上空的爆炸事件；而另一些所包含的物質(zhì)則可能價值數(shù)十億美元，當(dāng)然前提是你能得到它的話！對于太空探索而言，它們也是很好的中間站。在去往更遙遠的火星之前，近地小行星無疑是絕佳的練兵場。

雖然天文學(xué)家已知超過11 000顆近地小行星，但仍有許多依然未知。對近地小行星特性的研究遠落后發(fā)現(xiàn)它們的速度。每年大約可以發(fā)現(xiàn)1 000顆近地小行星，但其中只有約10%會被進行跟蹤研究。

特別是，天文學(xué)家們想利用“開普勒”來研究其中一些的形狀。和月亮不同，近地小行星完全不呈球形，倒是更像土豆甚至呈啞鈴形。那么該如何探測它們的形狀呢？所有的小行星都會自轉(zhuǎn)，當(dāng)一顆啞鈴形小行星的長軸朝向我們的時候就會更亮一些。這時就需要“開普勒”的高靈敏度來探測其亮度的微小變化。

跟蹤小行星的亮度變化不僅能告訴我們它的自轉(zhuǎn)速度，還能提供其形狀的信息。有了高精度測量的結(jié)果之后，就可以對其進行“斷層掃描”，確定出它的三維形狀。雖然僅分配給近地小行星少量的觀測時間，但K2一年仍能測量約200顆小行星的亮度變化并確定它們的形狀。

[圖片說明]：在K2任務(wù)中，“開普勒”將會觀測的天區(qū)。版權(quán)：NASA Ames/JPL-Caltech/T Pyle。

搜尋其他行星

當(dāng)然，K2的許多提案都涉及到研究太陽系外行星。有天文學(xué)家希望用它來尋找位于某類特殊恒星周圍宜居帶內(nèi)的地球大小行星。

“開普勒”之前的主要任務(wù)是確定在其他類太陽恒星周圍宜居帶內(nèi)陸球大小行星的數(shù)量。這里的最大難點是，類太陽恒星的宜居帶都位于遠離該恒星的地方，因為這些恒星的溫度非常高。地球繞太陽一周需要一年的時間，所以若記錄下3次凌星事件才能確認一顆太陽系外類地行星的話，這就需要至少3年的時間。

因此，驗證這些行星確實存在其實要花好幾年的時間。不但如此，這些行星在凌星時，使得其宿主恒星亮度下降的幅度也極其微小。綜合這兩者，在一顆類太陽恒星周圍的宜居帶中發(fā)現(xiàn)一顆地球大小的行星就絕非易事了?？紤]到這些原因以及天文學(xué)家現(xiàn)有的儀器設(shè)備，于是類太陽恒星就并非是搜尋宜居太陽系外行星的最佳場所了。

相反，遠比太陽小得多的紅矮星則有望成為K2的探測目標(biāo)。地球大小的行星凌一顆紅矮星所造成的亮度下降是它凌一顆類太陽恒星的100倍。紅矮星的溫度要比太陽低得多，這意味著它的宜居帶會更靠近該恒星。

因此，在這些宜居帶內(nèi)的行星公轉(zhuǎn)一圈也許只要幾周的時間，使得天文學(xué)家可以在相對較短的時間跨度里探測到數(shù)次凌星的現(xiàn)象。這樣會更有利于對這些凌星信號的確認。此外，雖然這些紅矮星并不明亮，但它們的數(shù)量非常龐大，占銀河系恒星總數(shù)的約70%。

天文學(xué)家并不只想僅僅發(fā)現(xiàn)圍繞這些恒星的行星，他們還想就此使用斯皮策空間望遠鏡和哈勃空間望遠鏡來對它們進行深入研究。這些后續(xù)的觀測能讓我們確定這些行星是否是由巖石構(gòu)成的，是否有大氣層，是否具有劇烈的氣候模式，是否最終能在其大氣層中探測到生命跡象。

無論“開普勒”、“斯皮策”還是“哈勃”都不具備探測太陽系外行星大氣層中生命信號的能力，這是未來更為先進的詹姆斯·韋布空間望遠鏡將要去做的。不過，天文學(xué)家仍然希望能為韋布空間望遠鏡的后續(xù)觀測找到一個潛在的目標(biāo)。天文學(xué)家還沒有找到一顆在尺寸和質(zhì)量上都與地球相似的太陽系外行星，不過已經(jīng)知道的是這些行星應(yīng)該很普遍，只要在2018年“韋布”發(fā)射之前找到它們即可。K2任務(wù)只是搜尋這些行星的項目之一。

[圖片說明]：在對K2任務(wù)進行工程測試時所拍攝的圖像，所圈出的是2個疏散星團M35（上）和NGC2158（下）。版權(quán)：NASA Ames/T Barclay/W Stenzel。

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這些其他的項目中也包括了“開普勒”的繼任者——凌星外星行星巡天衛(wèi)星（TESS）。一旦于2017年發(fā)射，TESS的工作就是對整個夜空進行巡天，以和“開普勒”相同的方式研究超過20萬顆的恒星。它的“眼睛”由4塊強大的CCD照相機和鏡頭組成，視場可以達到約24度。和“開普勒”一樣，TESS也可以捕捉到一顆太陽系外行星從其宿主恒星前方經(jīng)過時所導(dǎo)致的亮度微小變化。

TESS將側(cè)重于尋找位于宜居帶內(nèi)、尺度介于地球和海王星之間的行星。它將仔細研究的恒星都是近距離的亮星。這一點對于分析這些恒星周圍行星上的大氣層而言非常重要。天文學(xué)家希望能為未來的觀測設(shè)備提供發(fā)現(xiàn)地球大小行星的最佳候選體。

“開普勒”團隊估計，K2擁有足夠的剩余燃料可以持續(xù)工作2～4年。隨著TESS在幾年之內(nèi)升空，“開普勒”的新任務(wù)毫無疑問將遠不止是一架空間望遠鏡重獲新生那么簡單——它將是搜尋一顆真正與我們地球相似的行星的開始。