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“续命”五年终离别 它无愧于“行星猎手”的称号

2018年11月08日 02:30 来源:科技日报 参与互动 

  “续命”五年终离别 它无愧于“行星猎手”的称号

  如果说悲剧会“引发观众对剧中人的怜悯,以及对命运无常的体会”,那么开普勒空间望远镜的谢幕算不上悲剧,只是圆满多过悲伤的离别。

  10月30日,美国国家航空航天局(NASA)宣布,该机构的“行星猎手”——开普勒空间望远镜“光荣退休”。

  出师大捷

  发现银河系中普遍存在超级地球

  2010年元旦刚过,美国华盛顿特区春寒料峭。来自全国各地的天文工作者、公众,以及记者们齐聚在这里,等待NASA科学家比尔·博鲁茨基(Bill Borucki)作关于开普勒空间望远镜观测进展的报告。

  开普勒空间望远镜于2009年3月升空。而比尔·博鲁茨基算是它的“爸爸”。他在这次报告中提到,利用前43天的高精度观测数据,刚升空9个月的开普勒空间望远镜共发现了5颗系外行星,它们基本都是热木星。这不能不说是一个良好的开端。然而,这已经不是第一次发现热木星了,带给公众和科学界的震撼远不如预期。

  开普勒空间望远镜并没有让大家失落很久。6个月之后,开普勒空间望远镜宣布发现了第一个系外多行星系统——Kepler-9。更为神奇的是,行星Kepler-9b和Kepler-9c的轨道周期比接近2∶1,接近一种被称为“共振”的轨道构型。在这种构型下,两颗行星相互作用强烈,其轨道周期变化可以高达一天。通过分析这种轨道周期变化,哈佛大学的天体物理学家马特·赫蒙(Matt Holman)推算出了Kepler-9b和Kepler-9c的行星质量。用马特·赫蒙的原话说就是后来所有通过周期变化分析行星质量的研究,都是按照这篇文章的思路来开展的。

  NASA在2011年宣布发现的Kepler-11更是一个里程碑式的发现。Kepler-11有6颗行星,其中5颗行星都位于太阳系水星轨道以内。要知道,太阳系水星轨道以内可是什么都没有。更为神奇的是,这6颗行星的大小,都基本介于地球和海王星之间。这类行星被称为超级地球,或者迷你海王星。

  开普勒空间望远镜有很多令人惊异的发现,而其中最令人惊异的莫过于发现Kepler-11这类超级地球在银河系中是一种非常普遍的存在,30%—50%的恒星周围,都有超级地球的存在。然而我们太阳系并没有这种天体,太阳系里没有任何天体比地球大,同时比天王星小。

  生死涅槃

  靠太阳光压“续命”创造新辉煌

  开普勒空间望远镜的巨大成功,让人们期待它有更多产出。

  然而,命运无常。2013年5月,开普勒空间望远镜在运行了四年半之后,两个动力轮连续失效,仅靠剩余的两个动力轮已无法完成系外行星探测所需的高精度观测。这就是小学就学到的三点更稳定的知识在现实中残酷的应用。

  这该怎么办?

  成功如开普勒空间望远镜的空间项目,即便是就此退役,也是一个时代的荣光。然而航天工程师道格·维墨尔(Doug Wiemer)把这个虽败犹荣的悲情事故写成了挽狂澜于既倒、扶大厦之将倾的传奇故事。

  道格·维墨尔提出,我们可以让开普勒空间望远镜的太阳帆板始终对着太阳,利用太阳对帆板的辐射光压充当一个动力轮,和另两个还在工作的动力轮一起来保持观测平台稳定,进而对背对太阳的黄道12宫继续进行高精度的系外行星探测。

  这个听起来相当科幻的想法,最终将一个近乎终结的项目,推向了新的辉煌。

  经过维修重新投入工作的望远镜约每3个月变换一次视野,人们将这一阶段的观测任务称为K2任务。而K2任务后来所做到的,并不仅仅是多发现了几百颗系外行星这么简单。它干了一部分开普勒空间望远镜之前恰好不能干的活,又抢先干了一部分今年4月发射的凌日系外行星勘探卫星(TESS)想干的活。

  通过凌星法对系外行星的搜索可以分成两类。一类是以开普勒空间望远镜为代表的深场(Deep Field)搜索,也就是盯着天空一块不大的区域看很多年。这类搜索的好处是,可以发现很多长周期的行星,可以探测到非常小的行星,还可以通过研究轨道周期变化,测量行星质量。但这类搜索的缺点是,由于全天亮星有限,分布稀疏,如果只盯着一个地方看,发现的东西大多数都很暗淡,很难利用地面现有望远镜进行后续研究。这也是为什么我们对那些奇怪的超级地球所知甚少的原因。

  另一类是以TESS为代表的广场(Wide Field)搜索。与深场搜索相反的是,这类搜索对全天进行大面积观测,但是每一个区域并不会观测很长时间。这类观测的好处是会发现很多亮星周围的系外行星,可以对其进行深入的后续观测研究。这类观测也有弊端——由于只在一个区域内停留较短的时间,所以很难进行需要长时间观测的研究。

  K2任务是一个深场和广场的结合。由于K2任务需要不停变化指向,其观测天区面积是开普勒空间望远镜之前观测天区的十几倍,这让我们在TESS上天之前就观测到了很多围绕亮星的系外行星。我们可以很好地研究这些行星的质量、组成、形成与演化。而K2在同一片天空的观测时长又是TESS的3倍,能找到很多TESS找不到的长周期行星。

  伟大遗产

  拓宽人类认识行星的视野

  在K2任务期间,开普勒空间望远镜的表现一如既往地优秀,使其观测的恒星总数增加到超过50万颗,发现并确认一系列新的系外行星。如果K2任务代表着过去五年系外行星研究的皇冠,那么WASP-47b就是这颗皇冠上最闪耀的明珠。

  WASP-47b是由地面望远镜发现的热木星,又正好落于K2任务的天区之中。K2任务观测发现这颗热木星附近还有两颗较小的行星。这一观测结果直接改变了近10年来人们对热木星形成演化的主流理解——热木星并没有我们想象的那么孤单。如果没有K2任务,我们恐怕得等到2019年,才可能由TESS完成这个发现。从这个角度看,K2任务让我们对系外行星的理解,提前了至少5年。

  在凝望星空的9年时间里,开普勒空间望远镜共确认了2662颗行星(截至2018年10月24日),此外还发现了近2900颗待确认的行星。“行星猎手”的称号实至名归。开普勒空间望远镜拓宽了我们认识行星的视野,也带给我们更多思考——在银河系中普遍存在的超级地球到底是种什么行星?它们有浓密的大气,还是像地球一样由岩石构成?对这些问题我们知之甚少,留待开普勒的继任者们去求解。

  (作者系耶鲁大学天文系博士后)

【编辑:姜贞宇】
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