再见开普勒,感谢你告诉我们不孤独
2018-11-02 11:47

再见开普勒,感谢你告诉我们不孤独

本文来自微信公众号:永结无情游相期邈云汉(ID:haibaraemily_planets),作者:haibaraemily,出品:科普中国,监制:中国科学院计算机网络信息中心。


除了太阳,其他恒星周围也有行星环绕吗?我们的地球在宇宙中还有同类吗?


应运而生


在20世纪的尾声里,人们终于窥见了太阳系之外的行星世界。


1992年,人们在脉冲星PSR B1257+12周围第一次发现了系外行星PSR B1257+12B和PSR B1257+12C;


1995年,人们首次在主序星飞马座51周围发现了系外行星飞马座51b。


我们已经知道系外行星确实是存在的,但到底有多少恒星有行星环绕?这些行星里有像我们的地球一样的行星吗?甚至,会有哪个行星上有生命居住吗?


新世界的大门已经打开,但想要继续探索还需要招募一位勇敢而勤奋的猎手——从20世纪90年代,科学家们就开始规划一颗专门用来搜索系外行星的探测器,这就是后来的开普勒探测器[1]。


然而,一方面是技术和精度上的限制,一方面是经费上的捉襟见肘,这个系外行星搜寻提案屡次被否决。直到2000年,屡经修改后的开普勒任务第5次提案终于在26个候选提案中脱颖而出,被NASA的知名抠门项目Discovery项目选中......和另外两个提案一同参加下一轮三进二的选拔…...


2001年12月,开普勒探测器最终被选中成为Discovery项目的第10个任务,获得了3亿美元的预算支持(最终花费了5.5亿美元)。值得一提的是,同时被选中的另一个任务就是探索小行星带的黎明号探测器,两颗探测器原计划都是在2006年发射[2,3],但由于预算的问题,两颗探测器都没能如期发射,而是分别延迟到了2009和2007年。


2009年3月7日,几经坎坷的开普勒探测器终于在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。


搭载开普勒探测器的德尔塔II火箭点火。来源:NASA[4]


这颗以开普勒三定律的提出者,伟大的天文学家约翰内斯·开普勒命名的探测器,职责是持续搜寻新的系外行星。


而它更大的野心是:寻找地球的同类。更准确地说,是寻找太阳这类的恒星周围有多少和我们的地球差不多大,又位于宜居带中的岩质行星。


勤奋搜寻


在开普勒任务正式通过之前,人们只发现了大约80颗系外行星,而且全部都是类似木星那样的气态巨行星,这是因为越大的天体越容易被发现。而开普勒探测器则把目标提高到了能探测到和地球差不多大甚至更小的天体。


为了达到这个目标,开普勒探测器采用了一种简单粗暴的搜索方法——“凌日法”。


凌日法的原理很简单:


一颗恒星发出的光如果没有遮挡的话应该会始终都一样亮,也就是说,亮度曲线是一条直线。


但当有行星飞过时,会遮挡一部分恒星的光,那么在这段时间里观测到的恒星亮度会变小。当行星飞过之后,会在恒星的亮度曲线里留下一个U型缺口。



为了找到这些“缺口”,开普勒需要始终盯着同一片天区反复观测,然后对比观测数据中的亮度变化。而且发现一次“缺口”还不够,同样的凌日事件重复观测到3-4次以上,才能最终确认确实有一颗系外行星。


因此,开普勒探测器的设计轨道是一个环太阳轨道,而且在环绕太阳的过程中始终朝向同一个方向。这个轨道的平均半径和地球轨道半径相当,但不在黄道面上的,以免受到太阳光的影响。


开普勒探测器第一阶段的轨道和指向。来源:维基


不知道细心的你有没有发觉,开普勒探测器发现的许多行星都是位于天鹅座方向的,那当然不是因为这个天区的行星特别多,而是因为在最开始的四年,开普勒探测器始终只指向天鹅座和天琴座那一片方向,总计追踪的恒星超过15万颗。


开普勒探测器第一阶段持续观测的天区:天鹅座(Gygnus)和天琴座(Lyra)方向。来源:维基


在开普勒任务的头四年里,这颗探测器就这样日复一日年复一年地在这片天区里搜寻着,积累了大量的探测数据宝藏,留待科学家们慢慢挖掘。


再焕新生


开普勒探测器原本的设计寿命只有3.5年,这也是Discovery项目的平均寿命。然而,由于开普勒探测器的实际探测精度没有达到原本的预期,项目组的评估认为开普勒探测器必须持续观测到2016年才能达到原本的任务目标。不过好在开普勒也确实运行良好,因此2012年11月,NASA正式宣布开普勒初期任务结束,开始长达4年的拓展任务[6]。


然而,这个如意算盘没有持续多久,因为开普勒遇到了和黎明号一样棘手的问题——动量轮开始相继坏掉了。


开普勒和黎明号一样,都是用动量轮控制探测器的姿态的。开普勒可以一直保持环绕太阳的运行,这不需要动力来维持轨道,但如果想要始终保持指向同一个方向观测,却需要不断调整自己的朝向——最起码需要三个动量轮才行(三个垂直的方向各一个)


也和黎明号一样,开普勒也带了四个动量轮,也就是说,坏一个是没有关系的。因此当2012年7月14日第一个动量轮坏掉的时候,科学家们依然认为开普勒探测器是健康的,是可以继续正常工作的。


然而好景不长,2013年5月11日,拓展任务开始才半年,开普勒探测器的第二个动量轮也坏掉了[7]。虽然在短期内,开普勒可以向黎明号一样采用推进剂+动量轮的混合模式来维持原本的姿态,但在对动量轮尝试修理无果之后,NASA还是认为这不是长久之计。


2013年底,一个名叫K2的观测方式被提出,K2的意思是“开普勒的第二春”(Second Light)。这个创造性的观测方案提出利用太阳光压配合两个还能工作的动量轮维持姿态稳定,而同时随着太阳角度的变化,大约每80天就要利用推进剂调整一次姿态,以重新达到与太阳光压的平衡角度。也就是说,开普勒探测器将会以约80天为周期观察不同的天区(每个区域的观测称为一个campaign field)[8]。


K2方案在2014年5月16日正式投入使用,这意味着开普勒探测器续命成功,进入了一个崭新的阶段。


2014-2018年开普勒K2阶段一共观测了20个测区(包括测试周期)。来源:NASA[9]


但强行续命终究是不可持续的。和黎明号一样,开普勒探测仪也同样免不了油尽灯枯的宿命——一旦燃料耗尽,就意味着开普勒任务的终结。


顽强的开普勒又硬生生撑了好几年。


更令人揪心的是,开普勒的最后一程让人悲欣交集、提心吊胆,尤其是进入K2的第17个观测周期,燃料已经开始见底之后——每一次姿态调整,都是一趟鬼门关,撑过这一次,又能多活80天。


终于,在2018年9月26日完成K2的第19个观测周期并成功传回数据之后,开普勒没能再开启第20个观测周期。


2018年10月30日,NASA正式宣布开普勒探测器耗尽燃料,任务结束。


而18年前一起获批的黎明号探测器,也在一直挣扎在油尽灯枯的边缘之后,于2018年11月1日耗尽燃料,结束任务。


谁也不会想到,两颗探测器会以这样一种奇特的缘分相伴走到生命的最后一刻。


战功赫赫


在2001年底,开普勒任务正式通过之前,人类只发现了约80颗系外行星。


而到了2018年底,人类已经确认发现了约3800颗系外行星——其中有2662颗都是开普勒探测器发现的,占了70%。


9年多的飞行,观测了53万多个恒星系统,确认发现了2662颗系外行星。来源:NASA[10]


开普勒探测器告诉我们,系外行星是普遍存在的,类地大小的行星也是普遍存在的;开普勒探测器也告诉我们,行星系统可以有多么丰富多彩,传统的行星形成理论可能亟需修改——我们以为是典型的太阳系,只不过是其中一种情况罢了。


丰富多彩的系外行星假想图。来源:NASA


同时,开普勒探测器留下的海量数据也是一笔巨大的宝藏,留待科学家们在接下来的几十年里慢慢发掘,比如去年底发现的第一个和太阳系一样拥有八颗行星的Kepler-90,就是挖掘旧数据找到的。


拥有8个行星的开普勒-90,其中开普勒-90i是去年新发现的。来源:NASA


但另一方面,不可否认开普勒也确实留下了一些遗憾。


开普勒的探测相对而言是粗糙的——测光精度不高,信噪也不高,许多观测结果需要和精度更高的哈勃或者其他空间望远镜相配合才能得到确认。


开普勒的终极追求——对“宜居地球”的追寻也还没有得到确定的答案。


确实,开普勒发现了很多质量和地球相当的岩质行星,也发现了很多位于对应恒星宜居带中(也就是温度不冷不热可以允许液态水在表面稳定存在)的行星。但同时满足要求的并不多[11]:


  • 比地球小的岩质行星开普勒-20e,太热了不在宜居带中;


  • 位于太阳类恒星的宜居带中的行星开普勒-22b,太大了很可能没有固态表面;


  • 大小和地球相当、有固态表面、位于宜居带中的中的行星开普勒-186f,环绕的恒星却是一颗红矮星,大小和质量都只有太阳的一半,温度也比太阳低得多;


  • ……


一些可能的宜居行星假想图。来源:NASA Ames/W. Stenzel [11]


  • 甚至号称是“地球2.0”的开普勒-452b似乎满足所有要求,但还是因为开普勒探测器过低的信噪比而受到了强烈的质疑,需要进一步的观测来验证[12]。(当然,和地球更像未必意味着更可能有生命存在,但谁叫我们对生命的认识还那么单一呢)



但很难因此而否定开普勒的功绩。作为人类第一颗职业行星搜寻探测器,开普勒就像一个装备简陋的猎手,在人类探索太阳系外的洪荒岁月里,单枪匹马地一头扎进了宇宙的黑暗森林之中——我们实在没有理由去责怪猎枪的质量太差。


结语:薪火相传


结束任务后的开普勒探测器,还会继续停留在环太阳轨道上,只是永远沉睡了。


庆幸的是,开普勒探测器的继任——NASA的凌日系外行星巡天卫星TESS已于今年4月发射升空,接过了开普勒探测器的火炬,而且短短几个月就已经发现了3颗系外行星。


TESS探测器的假想图。来源:NASA


薪火相传。来源:NASA


再然后,还有以詹姆斯·韦伯号为首的许多空间望远镜会在接下来的数年里相继发射,以不同的方法和视角去探索系外行星的方方面面——这些新的猎手们一定会给我们带来更多更好的惊喜。


但开普勒的地位依旧是不同的。


是发现了2600多颗系外行星的开普勒探测器,真正让我们开始以全新的视角看待星空——


曾经,那只是一个个遥远而陌生的亮点;


而现在,我们知道那一个个亮点里,也有着和我们的太阳系一样甚至更加丰富多彩的行星甚至卫星世界。


纪念开普勒探测器退役的作品《A New View of Our Starry Night》。来源:NASA [13]


再见开普勒,感谢你告诉我们不孤独。


 参考文献:

[1] NASA | A Brief History of the Kepler Mission

[2] NASA | NASA AMES’ KEPLER MISSION SELECTED FOR DISCOVERY PROGRAM

[3] NASA | JPL Asteroid Mission Gets Thumbs Up from NASA

[4] NASA | Kepler's Launch

[5] NASA | Exoplanet and Candidate Statistics

[6] NASA | NASA's Kepler Completes Prime Mission, Begins Extended Mission

[7] NASA | Kepler Mission Manager Update

[8] NASA | K2 Campaign fields

[9] NASA | Kepler Mission Manager Update: K2 Has Been Approved!

[10] NASA | Kepler By the Numbers – Mission Statistics

[11] NASA | Searching for Habitable Worlds

[12] Mullally, F., Thompson, S. E., Coughlin, J. L., Burke, C. J., & Rowe, J. F. (2018). Kepler’s Earth-like Planets Should Not Be Confirmed without Independent Detection: The Case of Kepler-452b. The Astronomical Journal, 155(5), 210.

[13] NASA | A New View of Our Starry Night


本文来自微信公众号:永结无情游相期邈云汉(ID:haibaraemily_planets),作者:haibaraemily,出品:科普中国,监制:中国科学院计算机网络信息中心。

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