外星獵人“開普勒”因何“退休”？

王嫚

在經過數月的努力后，近日，美國航空航天局宣布放棄修復開普勒太空望遠鏡。“開普勒”由此結束搜尋太陽系外類地行星的主要任務，但它仍可能被用于其他科研工作。美國航空航天局表示，將繼續對“開普勒”過去4年搜集的數據進行分析，未來數年依然有望見到與“開普勒”有關的科學發現。

外星獵人

共找到3000多顆太陽系外行星候選體

“開普勒太空望遠鏡是美國航空航天局發射的首顆探測類地行星的探測器，用于搜尋太陽系外的類地行星。”航天專家、《國際太空》雜志執行主編龐之浩研究員說，“開普勒”于美國東部時間2009年3月6日從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地17-B發射臺發射升空，任務期原定為3年半，但美國航空航天局2012年4月宣布延長“開普勒”的工作壽命。

開普勒太空望遠鏡通過“凌日”法探測太陽系外行星。“凌日”現象是指，當行星從其母恒星前飛過時會阻擋一部分恒星的光的現象。比如在地球上可以觀測到水星“凌日”或金星“凌日”，這時人們看到太陽表面上仿佛有個小黑點在緩緩移動。同樣，觀測其他恒星系統時也會看到“凌日”現象，“開普勒”便是通過觀測“凌日”深度（恒星亮度減弱的程度），計算出行星的大小。這就像人們看到遠處有一輛亮著頭燈的汽車，當一只小蟲從汽車前經過時，可通過光線變化推斷蟲子的大小一樣。

此外，它還可以測量“凌日”行星的公轉周期，據此可大致計算出行星軌道大小；對于行星的母恒星，可以根據其光譜、光度等參數估算其質量，綜合這些數據，可以推測一顆行星是否適合生命存在。

“開普勒”觀測的目標區域位于銀河系中的天鵝座和天琴座一帶，因為這個方向上的觀測較少受太陽等天體影響，有利于持續觀測。此外，這一區域內也存在較多的恒星及附屬行星。

龐之浩介紹，在過去4年多的時間里，開普勒太空望遠鏡一共找到了3277顆太陽系外行星候選體。在這3277顆太陽系外行星候選體中，最小的比地球還小，大的則比木星還大。現在已經確認了其中134顆，包括7顆位于宜居帶的“超級地球”。

“開普勒”的科研團隊現在正在對這些年積累的數據進行發掘和分析，希望從中找到更多的太陽系外行星，尤其是那些位于宜居帶的與地球大小相似的太陽系外行星。

“退休”原因

4個飛輪壞了一半，無法精確定位

一直以來，“開普勒”為人類探索和觀測遙遠星系做出了巨大的貢獻，那么是什么原因使得它不得不“退休”了呢？

龐之浩介紹說：“此次開普勒太空望遠鏡生病的‘癥狀’是它的姿態控制系統出現錯誤。這個太空望遠鏡采用的是3軸穩定方式，每個軸的方向都設置有1個反作用飛輪，用于控制其3個軸方向的姿態，另外還有1個備用飛輪。當‘開普勒’的姿態處于所要求的位置時，有一定轉動慣量的飛輪保持勻速旋轉（飛輪的動力來自衛星上的電源）；如果‘開普勒’偏離所要求的位置，就可通過敏感器和控制線路使飛輪加速或減速，從而產生一個相反的力矩，使其回復到所要求的姿態位置。所以‘開普勒’有3個飛輪工作，才能進行正確的姿態控制。”

北京大學天文系教授吳鑫基說：“2012年7月，‘開普勒’的一個飛輪失效，而后，工程師們緊急調用備用的第四個飛輪替換失效的飛輪繼續工作；2013年5月，‘開普勒’另一個飛輪又失效了，使得它無法實現精準定位。面對這個問題，工程師們曾試圖修復其中至少1個飛輪，但是沒能成功。現在，‘開普勒’已不能繼續提供收集科學數據所需要的定位精度，無法正常工作，因此它的價值也就大打折扣了。”

飛行軌道過高，維修成本高昂

通常情況下，一個東西壞了，“修”是我們的第一選擇，但是，為什么面對“開普勒”，科學家選擇的不是維修而是放棄呢？

龐之浩說，對于在軌飛行的航天器來講，軟件出現問題比較好解決，可以通過無線測控系統重新安裝、升級、啟動軟件；對于硬件出現的問題，目前主要維修方法有兩種：一是啟用備份部件，二是用航天飛機對近地軌道航天器進行在軌維修或將壞件帶回地面維修。然而，現在這兩種方法都無法用于維修“開普勒”。

“首先，‘開普勒’已沒有備用飛輪可用，重啟也失靈。其次，一般來說，當太空望遠鏡出現問題時，是通過航天飛機將人送入外太空，對其進行修理和維護。但是負責‘開普勒’維修的航天飛機已于2011年退役。即使不退役，由于‘開普勒’位于距地面6500萬公里的太陽軌道上，距離地球很遠，用航天飛機進行維修，所帶來的成本花費會很高。所以，與其承擔對‘開普勒’的巨額維修費用，還不如重新研制新的太空望遠鏡。”龐之浩說。

同類對比

“哈勃”延年益壽，緣于不斷維修升級

說起“開普勒”就不得不讓人想起另外一個大名鼎鼎的太空望遠鏡——哈勃太空望遠鏡。“哈勃”于1990年4月開始服役，至今已有10多年，仍在堅守崗位。同為太空望遠鏡，為什么“開普勒”較之“哈勃”短壽了這么多呢？

龐之浩表示，航天器的壽命與成本、功能、用途等許多因素相關。

1990年4月24日上天的哈勃太空望遠鏡耗資近25億美元，原設計壽命是10年，由于其成本很高，成果豐碩，又運行在航天飛機可以在軌維修的近地軌道，所以美國先后5次用航天飛機對其進行了在軌維修，使其得以延年益壽，功能不斷升級。而2009年3月6日上天的“開普勒”耗資近6億美元，除了在成本花費上遠遠低于“哈勃”，設計壽命較之于“哈勃”也明顯降低。

面對“開普勒”的“退休”，很多天文愛好者覺得遺憾，但吳鑫基卻表示，對于“開普勒”的“退休”，不需要遺憾。“開普勒太空望遠鏡原來的設計壽命是3年半，到2012年11月已經到期，其實還超期服役了幾個月。更重要的是，它已經圓滿地完成了預定的探測任務，開創性地發現了很多類似地球的行星和類似太陽系的多行星系統，不負眾望地完成了自己的使命，可以說是功成身退。”

未來歸宿

等待評估結果，或將繼續發揮余熱

雖說開普勒太空望遠鏡即將面臨“退休”，但是科學家們仍希望它能發揮一些余熱。吳鑫基說：“即使‘開普勒’結束了搜尋太陽系外類地行星的主要任務，但它仍可能被用于其他科研工作。”盡管這臺太空望遠鏡已經不可能再像以前那樣完全正常地工作，但是鑒于其積累的科學數據，科學家們預計對這些數據的分析將在未來帶來更多的新發現。

2013年8月2日，開普勒太空望遠鏡的科研團隊發布公告，向整個科學界征求“開普勒”在目前狀態下仍然可以進行的有價值的科學任務的意見和方案。工程師將嘗試利用現存的2個飛輪和剩余的燃料為開展其他類型的科學任務做準備，對“開普勒”進行評估。

同時，美國也正在研發新一代系外行星觀測衛星，計劃于2017年發射升空“掩星系外行星巡天衛星”，它將擁有比“開普勒”強大得多的觀測能力。吳鑫基說：“憑借當下快速發展的科技水平，未來一定會研發出比‘開普勒’更好的太空望遠鏡，從而替代‘開普勒’幫助人類探索未知的太空。”