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開普勒空間望遠鏡“光榮退休” 無愧于“行星獵手”的稱號
來源:科技日報 2018-11-08 16:31:19
如果說悲劇會“引發(fā)觀眾對劇中人的憐憫,以及對命運無常的體會”,那么開普勒空間望遠鏡的謝幕算不上悲劇,只是圓滿多過悲傷的離別。

10月30日,美國國家航空航天局(NASA)宣布,該機構的“行星獵手”——開普勒空間望遠鏡“光榮退休”。

出師大捷 發(fā)現(xiàn)銀河系中普遍存在的超級星球

2010年元旦剛過,美國華盛頓特區(qū)春寒料峭。來自全國各地的天文工作者、公眾,以及記者們齊聚在這里,等待NASA科學家比爾·博魯茨基(Bill Borucki)作關于開普勒空間望遠鏡觀測進展的報告。

開普勒空間望遠鏡于2009年3月升空。而比爾·博魯茨基算是它的“爸爸”。他在這次報告中提到,利用前43天的高精度觀測數(shù)據(jù),剛升空9個月的開普勒空間望遠鏡共發(fā)現(xiàn)了5顆系外行星,它們基本都是熱木星。這不能不說是一個良好的開端。然而,這已經不是第一次發(fā)現(xiàn)熱木星了,帶給公眾和科學界的震撼遠不如預期。

開普勒空間望遠鏡并沒有讓大家失落很久。6個月之后,開普勒空間望遠鏡宣布發(fā)現(xiàn)了第一個系外多行星系統(tǒng)——Kepler-9。更為神奇的是,行星Kepler-9b和Kepler-9c的軌道周期比接近2∶1,接近一種被稱為“共振”的軌道構型。在這種構型下,兩顆行星相互作用強烈,其軌道周期變化可以高達一天。通過分析這種軌道周期變化,哈佛大學的天體物理學家馬特·赫蒙(Matt Holman)推算出了Kepler-9b和Kepler-9c的行星質量。用馬特·赫蒙的原話說就是后來所有通過周期變化分析行星質量的研究,都是按照這篇文章的思路來開展的。

NASA在2011年宣布發(fā)現(xiàn)的Kepler-11更是一個里程碑式的發(fā)現(xiàn)。Kepler-11有6顆行星,其中5顆行星都位于太陽系水星軌道以內。要知道,太陽系水星軌道以內可是什么都沒有。更為神奇的是,這6顆行星的大小,都基本介于地球和海王星之間。這類行星被稱為超級地球,或者迷你海王星。

開普勒空間望遠鏡有很多令人驚異的發(fā)現(xiàn),而其中最令人驚異的莫過于發(fā)現(xiàn)Kepler-11這類超級地球在銀河系中是一種非常普遍的存在,30%—50%的恒星周圍,都有超級地球的存在。然而我們太陽系并沒有這種天體,太陽系里沒有任何天體比地球大,同時比天王星小。

生死涅槃靠太陽光壓“續(xù)命”創(chuàng)造新輝煌

開普勒空間望遠鏡的巨大成功,讓人們期待它有更多產出。

然而,命運無常。2013年5月,開普勒空間望遠鏡在運行了四年半之后,兩個動力輪連續(xù)失效,僅靠剩余的兩個動力輪已無法完成系外行星探測所需的高精度觀測。這就是小學就學到的三點更穩(wěn)定的知識在現(xiàn)實中殘酷的應用。

這該怎么辦?

成功如開普勒空間望遠鏡的空間項目,即便是就此退役,也是一個時代的榮光。然而航天工程師道格·維墨爾(Doug Wiemer)把這個雖敗猶榮的悲情事故寫成了挽狂瀾于既倒、扶大廈之將傾的傳奇故事。

道格·維墨爾提出,我們可以讓開普勒空間望遠鏡的太陽帆板始終對著太陽,利用太陽對帆板的輻射光壓充當一個動力輪,和另兩個還在工作的動力輪一起來保持觀測平臺穩(wěn)定,進而對背對太陽的黃道12宮繼續(xù)進行高精度的系外行星探測。

這個聽起來相當科幻的想法,最終將一個近乎終結的項目,推向了新的輝煌。

經過維修重新投入工作的望遠鏡約每3個月變換一次視野,人們將這一階段的觀測任務稱為K2任務。而K2任務后來所做到的,并不僅僅是多發(fā)現(xiàn)了幾百顆系外行星這么簡單。它干了一部分開普勒空間望遠鏡之前恰好不能干的活,又搶先干了一部分今年4月發(fā)射的凌日系外行星勘探衛(wèi)星(TESS)想干的活。

通過凌星法對系外行星的搜索可以分成兩類。一類是以開普勒空間望遠鏡為代表的深場(Deep Field)搜索,也就是盯著天空一塊不大的區(qū)域看很多年。這類搜索的好處是,可以發(fā)現(xiàn)很多長周期的行星,可以探測到非常小的行星,還可以通過研究軌道周期變化,測量行星質量。但這類搜索的缺點是,由于全天亮星有限,分布稀疏,如果只盯著一個地方看,發(fā)現(xiàn)的東西大多數(shù)都很暗淡,很難利用地面現(xiàn)有望遠鏡進行后續(xù)研究。這也是為什么我們對那些奇怪的超級地球所知甚少的原因。

另一類是以TESS為代表的廣場(Wide Field)搜索。與深場搜索相反的是,這類搜索對全天進行大面積觀測,但是每一個區(qū)域并不會觀測很長時間。這類觀測的好處是會發(fā)現(xiàn)很多亮星周圍的系外行星,可以對其進行深入的后續(xù)觀測研究。這類觀測也有弊端——由于只在一個區(qū)域內停留較短的時間,所以很難進行需要長時間觀測的研究。

K2任務是一個深場和廣場的結合。由于K2任務需要不停變化指向,其觀測天區(qū)面積是開普勒空間望遠鏡之前觀測天區(qū)的十幾倍,這讓我們在TESS上天之前就觀測到了很多圍繞亮星的系外行星。我們可以很好地研究這些行星的質量、組成、形成與演化。而K2在同一片天空的觀測時長又是TESS的3倍,能找到很多TESS找不到的長周期行星。

偉大遺產拓寬人類認識行星的視野

在K2任務期間,開普勒空間望遠鏡的表現(xiàn)一如既往地優(yōu)秀,使其觀測的恒星總數(shù)增加到超過50萬顆,發(fā)現(xiàn)并確認一系列新的系外行星。如果K2任務代表著過去五年系外行星研究的皇冠,那么WASP-47b就是這顆皇冠上最閃耀的明珠。

WASP-47b是由地面望遠鏡發(fā)現(xiàn)的熱木星,又正好落于K2任務的天區(qū)之中。K2任務觀測發(fā)現(xiàn)這顆熱木星附近還有兩顆較小的行星。這一觀測結果直接改變了近10年來人們對熱木星形成演化的主流理解——熱木星并沒有我們想象的那么孤單。如果沒有K2任務,我們恐怕得等到2019年,才可能由TESS完成這個發(fā)現(xiàn)。從這個角度看,K2任務讓我們對系外行星的理解,提前了至少5年。

在凝望星空的9年時間里,開普勒空間望遠鏡共確認了2662顆行星(截至2018年10月24日),此外還發(fā)現(xiàn)了近2900顆待確認的行星。“行星獵手”的稱號實至名歸。開普勒空間望遠鏡拓寬了我們認識行星的視野,也帶給我們更多思考——在銀河系中普遍存在的超級地球到底是種什么行星?它們有濃密的大氣,還是像地球一樣由巖石構成?對這些問題我們知之甚少,留待開普勒的繼任者們去求解。(作者王松虎,系耶魯大學天文系博士后)


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