天文史上的今天：搜尋第二個地球，開普勒空間望遠鏡

摘要：

2009年3月7日，開普勒空間望遠鏡發射升空，極大推進了我們對於系外行星的發現和了解。

「開普勒」空間望遠鏡任務徽標

來源：NASA

夜空中那些閃亮的星，幾乎每一個都是遙遠的太陽。在那些太陽周圍，有沒有行星圍繞公轉？地球是獨一無二的嗎？宇宙中有沒有與地球情況相近的星球？

2009年3月7日，開普勒空間望遠鏡發射升空，它將幫助我們回答這些問題。

美國宇航局的開普勒空間望遠鏡（Kepler Space Telescope）是一台專門用於搜尋太陽系之外，圍繞其他恆星運行的「系外行星」的空間望遠鏡設備。其目標是找到那些大小與地球相近，且位於恆星周圍的合適距離位置，因而環境可能比較「宜居」的系外行星。

示意圖：利用掩星法搜尋系外行星的開普勒望遠鏡

來源：NASA

自從其2009年發射升空以來，天文學家們已經藉助它的觀測找到了數以千計的系外行星。其中大部分被發現的系外行星大小都介於地球與海王星之間（海王星直徑大約是地球的4倍）。基本上所有這些行星都是在天鵝座方向的一個很小的天區內被發現的，因為開普勒望遠鏡專門盯住那塊區域進行觀察，那裡是開普勒望遠鏡的「任務天區」。

截止2017年，開普勒望遠鏡已經確認超過2400顆系外行星，如果加上等待確認的目標，這個數量將達到4000多顆。2013年，開普勒望遠鏡的定向系統發生故障，導致望遠鏡無法保持穩定指向，但在那之前的4年時間裡，開普勒望遠鏡一直緊緊地盯住天鵝座方向的這塊天區進行持續的觀測。

2009年3月7日，開普勒望遠鏡發射升空

來源：NASA

在系外行星觀測早期，天文學家們往往只能找到那些體型巨大的系外行星，比如木星大小甚至更大的行星，因為這樣它們從恆星面前經過時遮擋的恆星光芒比較明顯；並且它們往往距離恆星很近，這樣公轉周期比較短，比較容易觀察到重複性，周期性的恆星亮度下降，從而推斷行星的存在。

但隨著開普勒望遠鏡的升空，我們的觀測靈敏度大大提升，我們開始能夠觀察到那些大小接近地球的系外行星。

01

主要任務期

開普勒望遠鏡利用掩星法發現圍繞其他恆星運行的系外行星原理示意圖：當行星從恆星面前經過，恆星亮度會出現輕微下降，而這一變化將被開普勒望遠鏡捕捉到

來源：NASA

開普勒望遠鏡計劃耗資6億美金，原計劃運行一年時間。神奇的是，其竟然是屬於美國宇航局探索太陽系的低成本探測器計劃「發現」計劃（Discovery）的旗下項目，於2001年和探測穀神星以及灶神星的「黎明」號探測器同時入選。

按照設計，開普勒望遠鏡會持續盯住天鵝座方向的一塊天區，對那裡超過 10萬顆恆星的亮度進行密切監視，當行星從恆星面前經過時，恆星亮度會出現輕微下降，而這種輕微下降信號能夠被開普勒望遠鏡捕捉到。

開普勒望遠鏡的觀測任務天區，位於天鵝座方向，大致就是我們中國人說的「牛郎織女鵲橋相會」的鵲橋方向

來源：NASA

開普勒望遠鏡的實際運行壽命遠遠超過了設計，一直正常運行到了2013年5月份。為了保持對準天鵝座方向的指向，開普勒望遠鏡使用4對反應輪進行姿態控制，如果有一台損壞，利用剩下的三台反應輪仍然可以實現定向。

在2013年之前，已經有一台反應輪損壞，而噹噹年5月份第二台反應輪損壞之後，開普勒望遠鏡便無法維持準確定向了。不過，由於此時望遠鏡其他設備都還完好，於是宇航局決定為它指定新的任務。

開普勒望遠鏡用於姿態控制的反應輪，圖中黑色圓形的部件

來源：NASA

02

新的任務

幾個月之內，美國宇航局就匆忙制定出了一個名為「K2」的任務方案。該方案相當大膽而天才，簡單說，由於開普勒失去了自動定向的功能，工程師們決定藉助太陽光的光子光壓來緩慢地穩定望遠鏡指向，在這樣的情況下，開普勒仍然可以開展一些觀測，但每次大約只能持續80 多天，之後由於飛船與太陽相對位置角度的變化，為了防止太陽光損壞望遠鏡光學系統，望遠鏡必須更改觀測方向，這樣一來，一年裡可以如此間隔地進行4輪觀測。

這樣的情況下，儘管觀測效率大大下降了，但新發現仍在出現。截止2016年1月份，K2任務期間新發現的系外行星超過了100顆。

銀河系側上方視角圖。圖中光錐方向表示的是開普勒望遠鏡的觀測方向

來源：NASA

開普勒望遠鏡的觀測讓我們了解到原來行星世界可以如此豐富多彩。比如，在水星軌道那樣的距離內，可以塞進很多顆行星，行星可以圍繞兩顆恆星運行，就像《星球大戰》里的塔圖因星球。但更重要的是，我們逐漸接近發現真正的第二顆地球。

2014年2月份，開普勒項目組進行了一次數據發布，科學家們宣布了715顆新發現的系外行星，這幾乎讓當時已知的系外行星數量翻了一番。

2016年5月，項目組再次發布1284顆新發現的系外行星，而當時已知系外行星的數量達到3200顆，其中有超過2200顆是由開普勒望遠鏡發現的。

隨著未來以詹姆斯·韋伯空間望遠鏡為代表的下一代先進望遠鏡升空，我們這代人將首次有能力回答文章開頭提出的問題：我們在宇宙中是孤獨的嗎？

答案即將揭曉。

正在進行測試的「開普勒」望遠鏡

來源：NASA

編者按：

《天文史上的今天》欄目是老嚴的一次個人歷險，試圖通過堅持365天，完整記錄一年中每一個日子在人類漫長的天文歷史中留下的印記。

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